Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния рынка связующих материалов 5
1.1. Качество железорудных окатышей. Функции связующих. 5
1.2. Свойства окатышей с различными связующими . 7
1.2.1. Связующие, разубоживающие железорудные окатыши. 7
1.2.2. Связующие, неразубоживающие железорудные окатыши. 20
1.2.3. Комплексные связующие. 23
1.3. Постановка задачи исследования. 24
2. Методики исследований 27
2.1. Изучение свойств шихтовых материалов. 27
2.2. Исследование процесса окомкования и свойств сырых окатышей . 28
2.3. Исследование кинетики сушки сырых окатышей. 29
2.4. Изучение распределения влаги по сечению окатыша. 30
2.5. Изучение процесса обжига и свойств обожженных окатышей. 35
2.6. Исследовя«е металлургических свойств окатышей. 36
3. Исследование свойств окатышей с органическим связующим 39
3.1. Свойства шихтовых материалов. 39
3.2. Механизм окомкования . 43
3.3. Структура сырых окатышей. 55
3.4. Сушка окатышей. 61
3.5. Металлургические свойства обожженных окатышей. 70
4. Промышленные испытания технологии производст- в а железорудных окатышей с органическим свя зующим 76
4.1. Расчет материально-теплового баланса. 77
4.2. Окомкование и свойства сырых окатышей . 79
4.3. Обжиг и качество железорудных окатышей для металлизации в шахтных печах. 90
4.4. Опытно-промышленные испытания технологии производства железорудных окатышей для доменных печей. 92
4.5. Сравнительная экологическая оценка технологий производства окатышей с минеральным и органическим связующим. 93
Заключение 100
Список использованных источников 102
- Свойства окатышей с различными связующими
- Исследование процесса окомкования и свойств сырых окатышей
- Механизм окомкования
- Окомкование и свойства сырых окатышей
Введение к работе
Одним из значимых направлений обеспечения устойчивого развития антропосферы является создание ресурсосберегающих технологий. Традиционно наибольшую эффективность ресурсосбережения следует ожидать в ресурсопотребляющих отраслях, к которым, несомненно, следует отнести производство железорудных окатышей.
Далее, жесткая конкуренция на рынке железорудного сырья, особенно окатышей, вынуждает предприятия сокращать издержки производства и уделять повышенное внимание качеству своей продукции.
Третьим, не менее важным фактором, является постепенное истощение ресурсов качественного бентонита, традиционного связующего при производстве железорудных окатышей, что приводит к постоянному снижению его качества, росту дефицитности и удорожанию.
Все три приведенных фактора обусловили поиск материалов для замены бентонита. Наибольший интерес представляет рассмотрение связующих веществ, применение которых позволило бы существенно сократить потребление природных ресурсов и предотвратить нарушение ландшафтных систем. При этом связующая добавка должна удовлетворять различным технологическим и экономическим требованиям, а также обеспечивать получение высококачественных окатышей, особенно с меньшим содержанием в них пустой породы.
Свойства окатышей с различными связующими
Современный рынок предлагает большое количество разнообразных связующих материалов, единой общепринятой классификации которых не существует. На рисунке 1 представлена классификация связующих по характеру упрочняющего действия связующего вещества, согласно которой связующие образуют две основные группы: твердеющие и упрочняющие добавки /15/. Причем первые из них применяются при безобжиговых методах производства окатышей, а вторые - при обжиговых. В работе /16/ предлагается иная классификация связующих, в соответствии с которой связующие разделены по типам веществ и их происхождению, рис. 2.
Ниже рассмотрим связующие добавки с позиции формирования химического состава железорудных окатышей. Все предлагаемые материалы могут быть разделены на две большие группы: разубоживающие окатыши и не-ра-зубоживающие.
Глинистые материалы занимают основную долю рынка связующих веществ.
Наиболее широко при окомковании железных руд применяются бентонитовые глины. Бентониты относятся к морским осадочным глинам, образо Классификация связующих добавок по упрочняющему действию вавшимся в результате геологических изменений лав, их пеплов и туфов. Химический состав бентонитов различен и более полную техническую характеристику бентонитам дает их минералогический состав. Основной составляющей бентонитовых глин, обеспечивающей их вяжущие свойства, является минерал монтмориллонит (А1, Mg)2-3(OH)2(Si40io) «H20. В состав бентонитов так же входит небольшое количество байделлита. При увлажнении бентониты поглощают воду, увеличиваются в объеме в 15...20 раз и образуют гели с раз-витой удельной поверхностью до 600...900 м /г, которая значительно больше, чем у других сортов глины /17/.
Различают две основные группы бентонитов: щелочные и щелочноземельные. Щелочные бентониты также называют "истинными", обменный комплекс таких глин представлен в основном ионами Na+. Такие бентониты характеризуются высокой набухаемостью и низкой пластичностью, а окатыши, полученные с бентонитами этой группы обладают высокой прочностью как во влажном так и в высушенном состояниях. Обменный комплекс щелоч-ноземельных бентонитов представлен ионами КГ и Caz , такие бентониты называют "суббентонитами". Набухаемость таких бентонитов ниже, пластичность выше, а необходимый для получения достаточной прочности сырых окатышей расход выше. Известно так же, что повышенная жесткость воды ухудшает свойства бентонитов /18, 19/.
Для оценки пригодности бентонитов для окомкования железорудных концентратов используют различные способы. Изучают набухаемость, вязкость суспензии и дзета-потенциал бентонита /20/. Бентониты удовлетворительного качества должны иметь влагу набухания не ниже 200 % и значение пластичности суспензии не менее 200 с"1 /21/. По мнению сотрудников института Механобрчермет наиболее достоверную информацию о качестве бентонита как связующего дает лабораторный технологический метод. Сущность метода заключается в определении прочностных характеристик сырых окатышей, получаемых в лабораторных условиях при определенных параметрах свойств бентонитов методом активации содой, т.е. путем замены ионов обменного комплекса бентонита на ионы натрия. Расход соды зависит от типа бентонита и обычно составляет 20...40 кг на тонну комового бентонита. Для протекания процесса активации необходимо обеспечить выдержку смеси соды и глины в течение не менее двух недель /32, 33/.
Существует два способа активации бентонитов содой - сухой и влажный - причем последний в двух вариантах: холодным раствором соды и горячим. Оценка технологическим методом показывает, что наилучшие результаты достигаются при добавке соды в количестве 3 % в виде раствора с температурой 80 С и длительной выдержке смеси /34/. Способность бентонитов к активации оценивают по коэффициенту модифицируемости /35/:
Исследование процесса окомкования и свойств сырых окатышей
При подготовке шихты для окомкования навеску сухого концентрата укладывали ровным тонким слоем на гидрофобную ткань. Поверх концентрата равномерно распределяли связующие и флюсующие добавки, после чего проводили перемешивание. К полученной смеси добавляли воду в количестве, необходимом для получения шихты заданной влажности. Для равномерного распределения воды увлажненную шихту перетирали через сито с ячейкой 1 мм и дополнительно перемешивали. Готовую шихту выдерживали в эксикаторе в течение 40...60 минут. Данная выдержка имитирует транспортное время, затрачиваемое на перемещение шихты от смесителя до окомкователя по системе конвейеров и через накопительный бункер в цехах окомкования. Кроме того, указанная выдержка необходима для протекания реакций между связующим материалом и водой.
После выдержки часть шихты использовали для получения зародышей. В дальнейшем для окомкования использовали зародыши крупностью 5...8 мм, на которые в течение 5...7 минут порциями сбрасывали шихту и, по необходимости, добавляли воду из пульверизатора. После сброса всей шихты окомкование продолжали в течение двух минут для упрочнения полученных окатышей.
Масса сухого железорудного концентрата в каждом опыте составляла 2 кг, количество флюсующих и связующих материалов варьировалось в зави симости от заданного состава шихты. Для приготовления зародышей использовали 600 г увлажненной и выдержанной шихты, для получения окатышей -200 г зародышей крупностью 5...8 мм и 1 кг шихты.
Окомкование проводили в барабанном окомкователе с резиновой футеровкой диаметром 0,45 м, длиной 0,21 м. Скорость вращения окомкователя -33 об/мин.
Полученные сырые окатыши исследовали на влажность, гранулометрический состав и прочность. Для влажных окатышей определяли прочность на раздавливание и при сбрасывании на металлическую плиту с высоты 500 мм, для высушенных - на раздавливание. Данные показатели являются основными качественными характеристиками сырых окатышей в промышленных условиях и в большинстве случаев являются критериями эффективности технологического процесса, качества шихтовых материалов и правильности подбора состава шихты. В лабораторных условиях при заданных параметрах работы лабораторного оборудования эти показатели позволяют оценить влияние различных флюсующих и связующих добавок, а так же их расхода на процесс окомкования.
Для определения гранулометрического состава полученные при оком-ковании зародыши и окатыши рассевали на ситах на следующие фракции: +16 мм, 16...12,5 мм, 12,5...10 мм, 10...8 мм, 8...5 мм, -5 мм. Свойства сырых окатышей изучали отдельно для фракции 16...12,5 мм и 12,5...10 мм.
Кинетику сушки изучали по изменению влажности окатышей во времени на установке непрерывного взвешивания. Схема установки и ее описание приведены ниже в параграфе 2.7. Температура сушки составляла 105 С, расход воздуха - 5 л/мин. Для исследования структуры влажного окатыша разработана оригинальная методика расчетно-экспериментального анализа распределения свойств (в частности влажности) по объему окатыша.
При создании расчетно-экспериментальной методики принято несколько допущений: во всех точках равноудаленных от центра свойства окатышей одинаковы; это допущение позволяет экспериментально изучать свойства шаровых сегментов различной высоты, а полученные результаты экстраполировать для полых шаров с соответствующими наружными и внутренними диаметрами; в процессе сушки движения твердых компонентов и их перераспределения в объеме окатыша не происходит; как показывает анализ литературных источников некоторое перераспределение материалов в объеме окатыша отмечено только в процессе обжига после появления жидкой фазы/146/; плотность сухого окатыша принята равномерной по всему объему. Экспериментальная часть методики предусматривает отбор пробы окатышей одинакового размера, деление окатышей на шаровые сегменты, выполнение прямых измерений массы, высоты и других параметров сегментов в зависимости от цели исследования, а также в случае необходимости удаление влаги путем изотермической сушки.
При анализе экспериментальных данных окатыш условно делят на несколько шарообразных зон: центральная зона - ядро - окружена несколькими полыми шарами. На рисунке 3 приведена схема условного разделения окатыша на три зоны: зародыш и накатанную оболочку, состоящую из промежуточной (зона В) и наружной (зона А) сферических оболочек.
Отбирают представительную пробу окатышей, диаметр которых равен 14 мм. Пробу окатышей делят на порции, количество которых соответствует количеству изучаемых зон - на три порции.
Штангенциркулем измеряют точный диаметр D каждого окатыша порции № 1. От каждого окатыша этой порции отсекают шаровой сегмент высотой 2 мм, обозначаемый "сегмент I" (рисунок 4). Определяют влажную массу полученных сегментов, сушат и определяют массу сухого материала, образующего сегмент. Затем штангенциркулем измеряют высоту оставшихся после отсечения шаровых сегментов частей окатышей ("остатков I") - Н, и определяют их влажную и сухую массу.
Высота сегментов, отсекаемых от окатышей порции №2, равна 4 мм. Полученные части окатышей этой группы обозначают "сегмент II" и "остаток П". Последовательность исследования этой группы окатышей такая же, как и для окатышей предыдущей группы.
Последняя из полученных порций - № 3 - используется для определения общей влажности всей пробы по стандартной методике в соответствие с ГОСТ 23581.1-79.
Для повышения точности определения массы сегменты одной порции объединяют в одной таре. В отдельные тары объединяют так же "остатки
Механизм окомкования
Распределение бентонита и органического связующего в шихте.
Для эффективного окомкования необходимо равномерное распределение связующего в объеме шихты.
При условии, что насыпная масса железорудного концентрата влажно-стью 10 % составляет 2,97 т/м , объем 1 тонны составит около 0,34 м . При расходе 4 кг/т объемная концентрация бентонита в шихте будет равна (4 10"3 п)/(0,98 0,34) 100 % (где п - набухаемость бентонита, 15...20 раз; 0,98 - насыпная масса, т/м3) и непосредственно перед окомкованием составит 18...24 %. Таким образом, равномерное распределение бентонита обеспечено его достаточно высокой объемной концентрацией в шихте.
Объемная концентрация органического связующего при расходе 0,2 кг/т будет равна (0,2 10-3)/(0,85 0,34) Ю0 %, т.е. 0,07%. Равномерное распределение материала столь незначительной концентрации возможно только в виде раствора.
Образование раствора органического связующего во влаге шихты перед окомкованием иллюстрируется данными о кинетике изменения вязкости его растворов (рис. 8). Для полного растворения органического связующего необходимо некоторое время, и максимальная вязкость раствора достигается только через несколько минут от момента начала взаимодействия. Нарастание вязкости связано с набуханием, постепенным "раскручиванием" клубка молекулы полиакриламида и формированием коллоидной структуры раствора связующего. Экспериментальные данные (рис. 8) удовлетворительно аппроксимируются функцией вида Y = А 1п(т) + В, значение коэффициентов для которой представлено в табл. 5. Свойства раствора зависят от концентрации связующего, изменение которой от 0,2 до 3,0 % приводит к шестикратному увеличению вязкости (от 9,2 до 57,0 мПа с), а также к увеличению времени полного растворения от 7 до 17 минут.
Изменение вязкости растворов связующих во времени
Вязкость суспензии бентонита так же нарастает с течением времени. Экспериментальные данные по изменению вязкости 10 % суспензии бентонита во времени также как и для растворов органического связующего удовлетворительно описываются функцией вида Y = Aln(x) + B. При изучении свойств бентонита греческого месторождения получены следующие значения коэффициентов: А=1,35±0,29; В = 22,72±0,73. Корреляционная зависимость значима, коэффициент корреляции R равен 0,85 (Якритич = 0,44) . Время образования суспензии, вязкость которой равна 90 % максимальной, составляет около 19 минут.
Формированию зародышей капельного увлажнения предшествуют процессы распределения влаги в шихте. Результирующий эффект формирования водной манжеты на межчастичных контактах в случае применения связующих определяется соотношением сил смачивания, обеспечивающих растекание жидкости (порового раствора) по поверхности частицы, и вязкостных сил, препятствующих движению жидкости.
Взаимодействие растворов связующих с поверхностью комкуемого материала изучали по растеканию калиброванного объема капли (0,3 мл) по поверхности природного магнетита в виде полированной пластины, таблица 6.
Размер манжеты, оцениваемый по площади капли раствора на подложке из магнетита, составляет для воды (минимальное вязкостное сопротивление) 38,47 мм, сравнительно с раствором бентонита (вязкость 30 мПа с) — 35,19 мм . Применение растворов полиакрил амида, являющегося поверхностно-активным компонентом, изменяет картину распределения влаги, рис.9. Увеличение протяженности водной манжеты (площади капли), обусловлено как изменением межфазного натяжения на границе поверхность частицы -водный раствор (от.ж), так и поверхностного натяжения водного раствора (о"ж-г), в соответствии с уравнением Дюпре-Юнга (Cos 0 = (ат.г- ст.ж) / ож-г) в сторону увеличения Cos 0 (рис. 10) и тем самым усиления смачивания.
Увеличение концентрации полиакриламида в растворе сопровождается преимущественно воздействием на межфазное натяжение от.ж (кинетически более осложненное) с одновременным увеличением протяженности манжеты до 63,85 мм . Это говорит о лучшем смачивании частиц концентрата раствором связующего, что в значительной мере определяет поведение влаги шихты
Капли воды (слева) и раствора органического связующего (справа) на полированной поверхности магнетита
Схема межфазного взаимодействия при смачивании
Относительное изменение протяженности манжеты при переходе от водного раствора к 0,2% раствору полиакриламида составило 10 %. Симбатно росту протяженности манжеты увеличилась на 10% прочность сырых окатышей (рис. 11). Подобный эффект отмечался ранее при оком ковании агломерационных шихт с применением ПАВ, в качестве которых использовали сточные воды коксохимического производства /151/. Дальнейший рост концентрации раствора (выше 1 %) не приводит к увеличению протяженности манжеты из-за противодействия вязкостных сил.
Таким образом, в отличие от бентонита, имеющего после набухания высокую объемную долю в шихте, органическое связующее распределяется посредством образования раствора. Образование раствора органического связующего способствует улучшению смачивания частиц концентрата и более равномерному распределению влаги. Применение органического связующего требует для достижения оптимального распределения влаги в объеме шихты регулирования концентрации раствора в определенных (достаточно узких) пределах и времени выдержки шихты перед окомкованием.
Механизм зародышеобразования при окомконании.
В дисперсных средах для производства окатышей зародыши, являющиеся центрами окомкования, представляют собой флуктуационные объемы с повышенной влажностью.
В окатышах, изготовленных с применением бентонита, подобные объемы повышенной влажности приурочены к областям локализации частиц бентонита, активно поглощающего влагу. Это предположение подтверждается зависимостью числа зародышей (фракция 5...8 мм) от расхода бентонита (рис. 12). Увеличение расхода бентонита до 4 кг/т приводит к росту количества флуктуационных объемов и, следовательно, увеличению выхода зародышей из единицы объема шихты с 18 до 31 %. В этом случае устойчивость сформировавшегося зародыша благодаря набуханию бентонита
Окомкование и свойства сырых окатышей
Окатыши получали в отделении окомкования ЦОиМ (цеха окомкования и металлизации). В состав отделения окомкования входят: участок фильтрации, участок окомкования и участок обжига.
Железорудный концентрат поступает на ОАО "ОЭМК" с ОАО "Лебединский ГОК" по пульпопроводу. Содержание твердого в пульпе составляет около 50 %. Для обезвоживания пульпы используют дисковые вакуум-фильтры, которые позволяют получать концентрат заданной влажности. Обычно влажность концентрата составляет 9...10%. Вакуум-фильтры установлены таким образом, что под ними расположены два параллельных конвейера, на которые поступает "сухой" концентрат. Непосредственно за вакуум-фильтрами, по ходу движения конвейеров, установлены дозаторы связующего и флюсов. Далее шихта перемешивается в проходных лопастных смесителях и поступает на участок окомкования.
В базовом режиме работы к железорудному концентрату добавляют специально приготовленную флюсосвязующую смесь (ФСС). В отделении подготовки бентонита (ОПБ) грейфером подготавливают смесь комового бентонита и известняка в пропорции от 1:4 до 1:6, в зависимости от необходимой основности окатышей и качества бентонита. Полученная флюсосвязующая смесь направляется в шаровую мельницу для измельчения, после чего используется в шихте для производства окатышей.
Существующая схема определяет некоторые технологические ограничения. Во-первых, точность состава ФСС определяется параметрами работы грейферного крана. Соответственно для выполнения технологических требований необходимо иметь некоторый запас по расходу связующего и основности окатышей, что означает несколько больший реальный расход флюса и связующего, чем необходимо. Во-вторых, отсутствует возможность оперативного регулирования расхода связующего, так как это приведет к неминуемому изменению основности окатышей. И наоборот: регулирование основно ста окатышей связано с изменением расхода связующего. В то же время принятая схема работы обоснована технико-экономическими параметрами работы отделения подготовки бентонита и удовлетворительно работает в условиях постоянства качества поступающих в цех шихтовых материалов.
Расход органического связующего существенно меньше расхода бентонита, поэтому для его подачи в период испытаний были дополнительно установлены специальные дозаторы пониженной производительности. При этом через основные дозаторы подавали только известняк, а бункера резервных дозаторов были заполнены ФСС для предотвращения аварийной остановки цеха в случае неудовлетворительного протекания процесса окомкования с новым связующим. Для подачи органического связующего использовали специальные шнековые дозаторы производства фирмы Brabender. Над дозатором установили специально сконструированные промежуточный и основной бункера для хранения связующего и приемную воронку для разгрузки биг-бэгов. Уровень связующего материала в основном бункере и, следовательно, необходимость дозагрузки контролировали с помощью сигнализатора уровня Siemens-Milltronics, рисунок 21.
Органическое связующее доставляется в цех фасованным в полиэтиленовых мешках емкостью по 1000 кг и без дополнительной переработки подается непосредственно в бункер дозатора.
Схема установки дозирования органического связующего в период промышленных испытаний
В соответствии с результатами лабораторных исследований место установки дозатора было выбрано таким образом, чтобы обеспечить выдержку перед окомкованием необходимую для взаимодействия органического связующего с влагой шихты. Выдержка в накопительных бункерах составляла 20...60 минут, в зависимости от степени их заполнения.
Сырые окатыши получали в барабанных окомкователях, диаметр которых составляет 3,6 м, длина - 10 м, угол наклона 5.
Значительное влияние на протекание технологических процессов и качество окисленных и металлизованных окатышей оказывает их гранулометрический состав. Слой, образованный окатышами преимущественно одного размера, обладает хорошей газопроницаемостью, что положительно сказывается на технико-экономических показателях процессов обжига и последующего восстановления окатышей. Требования технологической инструкции по производству окисленных окатышей на ОАО "ОЭМК" предусматривают содержание фракции 8...16 мм не менее 85 %/156/.
В ходе промышленных испытаний изучали влияние различных параметров на гранулометрический состав окатышей с органическим связующим. Изучали влияние влажности шихты, расхода связующего и режимов работы окомкователей.
Влияние влажности шихты на гранулометрический состав сырых окатышей неоднозначно. Существует область оптимальной влажности, при которой выход годных фракций окатышей - 8...16 мм - максимален. При увеличении влажности происходит укрупнение окатышей: выход окатышей большого размера увеличивается. При снижении влажности процесс окомкования нарушается, образуется дефицит сырых окатышей.
Установлено, что оптимальная влажность окатышей с органическим связующим на 0,1...0,3 % ниже, чем окатышей с бентонитом и в условиях проведенных испытаний при заданном качестве шихтовых материалов составляла около 9,0 %.
Увеличение расхода связующего приводит к снижению размера сырых окатышей. Две кривых на рисунке 22 характеризуют изменение размера окатышей для различных окомкователей, параметры работы которых различны. В обоих случаях существует тенденция к снижению эквивалентного диаметра сырых окатышей при увеличении расхода органического связующего.
При проведении испытаний изменяли следующие параметры работы окомкователей: угол наклона, скорость вращения и нагрузку окомкователей по шихте. Установлено, что наибольшее влияние на гранулометрический состав окатышей оказывает угол наклона и скорость вращения окомкователя.
Увеличение угла наклона окомкователя привело к снижению выхода окатышей крупных фракций (рис. 23). Перед началом испытаний все окомко-ватели были установлены под углом 5 к горизонту. В период испытаний угол наклона двух окомкователей был увеличен до 6, что позволило увеличить выход окатышей фракции 8...16 мм с 94,9 до 95,6 %.
Снижение скорости вращения окомкователей позволяет уменьшить выход окатышей фракции 12...16 мм, увеличить долю более мелких окатышей фракции 10...12 мм и, следовательно, уменьшить эквивалентный диаметр сырых окатышей (рис. 24). Однако снижение скорости вращения связано с повышением нагрузки на привод окомкователя, что накладывает определенные ограничения. Увеличение угла наклона окомкователя позволяет не только уменьшить размер окатышей, но снизить нагрузку на привод окомкователя и, тем самым, расширить пределы по изменению скорости его вращения. В ходе испытаний оптимальный гранулометрический состав окатышей был достигнут при одновременном увеличении угла наклона и изменении скорости вращения окомкователя (таблица 16).
