Содержание к диссертации
Введение
ЧАСТЬ 1. Подготовка мелкодисперсного медьсодержащего сырья к плавке 8
Глава 1. Брикетирование медьсодержащего сырья с неорганическими связующими 8
1.1. Анализ технологии брикетирования медьсодержащей шихты 11
1.2. Исследование брикетирования медьсодержащей шихты с гашеной известью 11
1.2.1. Лабораторные исследования брикетирования 13
1.2.2. Укрупненные испытания брикетирования 16
1.3. Исследование брикетирования медьсодержащей шихты с сульфатом кальция , 16
1.3.1. Использование сульфатных цементов для окускования дисперсных материалов 16
1.3.2. Лабораторные исследования брикетирования медьсодержащей шихты 20
1.3.3. Укрупненные и опытно-промышленные испытания технологии 25
1.3.4. Оценка поведения остатков фтористого кальция при переработке брикетов в шахтной печи 38
1.4. Брикетирование медьсодержащей шихты с серной кислотой 39
Выводы по главе 1 46
Глава 2. Брикетирование медьсодержащего сырья с торфом 49
2.1. Классификация видов торфа и категорий торфяного сырья 49
2.1.1. Структура торфа и его связующие свойства 49
2.2. Использование торфа в металлургии 52
2.2.1. Использование торфа и композиционных торфяных брикетов в цветной металлургии 54
2.3. Исследование технологии получения композиционных медьсодержащих брикетов 56
2.4. Разработка безводной технологии брикетирования медьсодержащей шихты с торфом 61
2.4.1. Методика исследования брикетирования 64
2.4.2. Результаты лабораторных исследовании брикетирования медьсодержащей шихты 64
2.4.3. Описание технологии брикетирования 76
Выводы по главе 2 79
ЧАСТЬ 2. Медеплавильное производство 80
Глава 3. Шахтная плавка рудно-торфяных брикетов 80
3.1. Особенности термообработки рудных брикетов па торфяном связующем 80
3.2. Выбор оптимального состава шихты для плавки брикетированного флотоконцентрата 88
3.2.1. Лабораторные плавки шихт брикетированного флотоконцентрата 99
3.3. Промышленные испытания шахтной плавки брикетов 102
Выводы по главе 3 107
Глава 4. Физико-химические процессы плавки медьсодержащего сырья на штейн 109
4.1. Термодинамика реакций 109
4.2. Кинетика и макромеханизм процессов штейно- и шлакообразования 120
4.3. Распределение цветных металлов в системе «черновая медь(штейп)- шлак-газ» 141
4.3.1. Равновесие в системе «черновая медь-шлак-газовая фаза» 142
4.3.2. Равновесие в системе «медный штейн (белый матт) - шлак - газ» 145
4.3.3. Механические потери меди со шлаком 148
Выводы по главе 4 156
Глава 5. Совершенствование производства медного штейна на ЗАО «Карабашмедь» 159
5.1. Современное состояние шахтной плавки медьсодержащего сырья 159
5.2. Шахтная плавка ЗАО «Карабашмедь» и направления ее модернизации 167
5.2.1. Исследование тепловой и газодинамической работы шахтного агрегата ЗАО «Карабашмедь» 170
5.3. Автогенные процессы выплавки штейна 177
5.3.1. Процесс "Аусмелт" 179
Выводы по главе 5 185
Глава 6. Утилизация серы из газов медеплавильного производства 187
6.1. Характеристика отходящих газов медеплавильного производства как потенциального источника сырья 187
6.2. Технология производства серной кислоты на медеплавильных предприятиях 188
6.2.1. Производство серной кислоты на ЗАО «Карабашмедь» по технологии WSA 188
6.2.2. Перспективы развития сернокислотного производства 200
6.3. Экономическая эффективность сернокислотного производства 203
6.4. Эколого-экономические вопросы переработки медного сульфидного сырья 205
6.4.1. Охрана окружающей среды от выбросов диоксида серы 206
6.4.2. Развитие медеплавильного производства в современных условиях 208
Выводы по главе 6 212
ЧАСТЬ 3. Рафинирование меди 213
Глава 7. Пирометаллургическое рафинирование медного лома на товарный металл 213
7.1. Разработка способа рафинирования меди от свинца 213
7.1.1. Способы пирометаллургического рафинирования меди 214
7.1.2. Опытные плавкий их результаты 216
7.2. Внедрение технологии рафинирования лома 219
7.2.1. Промышленные испытания вариантов рафинирования лома 219
7.2.2. Закономерности использования селитры при рафинировании меди 221
7.2.3. О выборе варианта рафинирования лома на медь М2 224
7.3. Описание технологического процесса 225
Выводы по главе 7 227
Глава 8. Разработка способов рафинирования меди с применением металлических реагентов 228
8.1. Анализ способов огневого рафинирования меди с повышенным содержанием никеля 228
8.2. Исследование раскисления меди металлическими реагентами 232
8.2.1. Влияние малых концентраций кремния на активность кислорода в жидкой меди 232
8.2.2. Термодинамическая модель раскисления меди металлическими реагентами 238
8.2.3. Кинетические закономерности растворения кремния в жидкой меди 240
8.2.4. Выбор состава лигатуры для восстановления и силицирования меди 243
8.3. Применение кремния для электролитического рафинирования меди 246
8.3.1. Электролитическое рафинирование раскисленной меди 249
8.3.2. Изучение влияние кремния на электрохимическое рафинирование меди 250
8.3.3. Разработка состава электролита с использованием кремнийсодержащей добавки 257
8.3.4. Математическое моделирование электрорафинирования силициро-ванноймеди 257
8.4. Промышленные испытания и внедрение технологии переработки черновой меди с применением кремнийсодержащих реагентов 261
8.4.1. Способы рафинирования меди кремнийсодержащими раскислителямн 261
8.4.2. Промышленные испытания рафинирования черновой меди 265
8.5. Разработка и промышленное внедрение экологически чистого способа диспергирования меди , 273
Выводы по главе 8 277
Общие выводы по работе 278
Список использованных источников 281
- Использование сульфатных цементов для окускования дисперсных материалов
- Исследование технологии получения композиционных медьсодержащих брикетов
- Шахтная плавка ЗАО «Карабашмедь» и направления ее модернизации
- Анализ способов огневого рафинирования меди с повышенным содержанием никеля
Введение к работе
В 2002 году мировой выпуск черновой меди составил 12.1 млн. т, что ниже показателей 2001 г. почти на 2% [1]. К основным производителям черновой меди традиционно относятся Чили, Япония, Китай, США, Канада, Германия, Австралия, Польша и Россия, на долю которых приходится 63% мирового производства металла
В последние годы увеличивается производство черновой меди странами Азии. Наиболее существенен рост плавильных мощностей в Китае, который ежегодно на 10-15% увеличивает потребление меди. Переработка медной руды ведется в стране на 35 медеплавильных заводах общей мощностью 1.3 млн. т. За последние пять лет более чем в два раза увеличилось производство чернового металла в Южной Корее.
На долю России приходится 4% мировой выплавки черновой меди. Основными уральскими производителями являются ОАО «Среднеуральский медеплавильный завод», который в 2002 г. выпустил 100 тыс. т черновой меди, ОАО "Святогор" 70 тыс. т.), ОАО "Уралэлектромедь" (58.6 тыс. т.), а также «Производство полиметаллов» ОАО "Уралэлектромедь", ОАО «Медногорский медно-серный комбинат», ЗАО «Карабашмедь».
Развитие медной промышленности в настоящее время непосредственно зависит от постоянно растущих требований защиты окружающей среды. В условиях ведения рыночного хозяйства охрана окружающей среды является общегосударственной задачей, более важной, чем достижение высоких технико-экономических показателей деятельности предприятий. Усилия медеплавильных предприятий сейчас направлены па разработку новых и усовершенствование действующих технологий с целью обеспечения охраны окружающей среды, прежде всего атмосферного воздуха, при одновременном увеличении производства меди. Необходимость защиты окружающей среды, утилизации серы и сбыта получаемой серосодержащей продукции препятствует развитию строительства новых медных металлургических заводов.
В 1992 г. на проходившей в г. Рио-де-Жанейро (Бразилия) конференции ООН по проблеме охраны окружающей среды провозглашена необходимость перехода человечества на путь устойчивого развития, предусматривающий необходимый баланс между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей среды во благо нынешнего и будущих поколений. Для уральского региона с его богатыми запасами минеральных ресурсов этот баланс должен поддерживаться путем их рационального использования при минимизации или отсутствии загрязнений окружающей среды.
Большинство медеплавильных предприятий улавливают выбросы диоксида серы в форме серной кислоты, получая от 2.5 до 4,0 тонн кислоты на 1 т производимой меди. Получение серной кислоты из отходящих газов медеплавильного производства, обусловленное низкой стоимостью в них серы, является высокорентабельным, однако оно осложнено резкими колебаниями во времени потока серосодержащих газов. Направлениями совершенствования технологии сернокислотного производства из металлургических газов являются: переработка высококоицентрированных газов и газов с низкой концентрацией сернистого ангидрида, расширение ассортимента серосодержащей продукции и снижение энергозатрат.
Наиболее приемлемым путем сокращения выбросов диоксида серы в атмосферу является увеличение использования вторичных металлов и автогенной плавки, реконструкция производства с применением экологически безопасных технологий и оборудования, что позволяет даже при увеличении выпуска черновой меди уменьшать количество выбросов.
Использование сульфатных цементов для окускования дисперсных материалов
Получение полностью брикетированной шихты для шахтных печей является актуальной проблемой, решение которой открывает перспективы организации производства черновой меди с минимальным пылевыносом и минимальными энергетическими затратами. Товарные брикеты должны обладать прочностью после формовки, определяемой раздавливанием на плашку, не менее 0.9 МПа, а после упрочнения - не менее 2.9 МПа. В настоящее время эти требования технических условий не всегда удается обеспечить по данной технологии производства брикетов.
Следует также учесть, что наиболее приемлемый для шахтной нечи кусковый материал должен иметь размеры 15-50 мм, а наиболее высокопроизводительными агрегатами для окускования являются грануляторы и валковые прессы.
В применяемых штемпельных прессах процесс сжатия ограничен ходом пуансонов. При отсутствии приборов контроля усилие прессования очень приближенно оценивают по величине силы тока в цепи электродвигателя, что наряду с отсутствием контроля насыпной массы шихты приводит к значительным колебаниям плотности и прочности сырца: из рыхлой массы получаются очень непрочные брикеты, а при сжатии более жестких смесей с крупными твердыми включениями пресс выходит из строя.
Принятая в настоящее время технология брикетирования имеет ряд недостатков: сложность дозирования связующего - известково-пылевой смеси (ИПС), использование низкокачественного вяжущего - негашеной извести; наличие в медьсодержащей шихте соединений цветных металлов, затрудняющих формовку брикета-сырца и его твердение. Все это уменьшает съем брикетов и выход качественной готовой продукции.
Для металлургической переработки необходимо обеспечивать качественную формовку, высокий съем продукции и прочность готового брикета при содержании в шихте соединений, неблагоприятных для производства брикета (твердения кальциевых вяжущих). Это достигается подбором состава вяжущего - извести, качеством известково-пылевой смеси, сроками ее гашения, дозировкой компонентов шихты и режимом термовлажной обработки (ТВО). Известь является наиболее доступным и относительно дешевым связующим, ее применение позволяет с минимальным расходом воды окусковать различные соединения металлов, а применение прессования обеспечивает быстрое схватывание смеси и высокий выход продукции.
Нерегулируемая влажность компонентов шихты - концентрата и пыли - всегда связана с коррекцией сырой массы. В этом случае вяжущая система образуется смешиванием порошкообразной извести с небольшим количеством воды (гашение паром) с введением в шихту медьсодержащих компонентов. В результате синтезируется слой гидратов кальция и магния. Образование гидратов происходит как в растворе, так и в результате топохими-ческих реакций с участием воды, диффундирующей через слой новообразований.
Промышленному выпуску брикетов для шахтной плавки способствовало эффективное использование имеющегося помольного и автоклавного оборудования для производства изделий блочной, близкой к брикетам формы. Это позволяет вовлекать в металлургическую переработку широкий спектр дисперсных медьсодержащих материалов, в том числе - оборотную пыль, старогодние запасы которой на ЗЛО «Карабашмедь» составляют десятки тысяч тонн.
Существующая в настоящее время технология получения брикетов предполагает использование в качестве связующего извести, гидратация которой происходит непосредственно в смеси, увлажненной до 12-14%. В таких условиях гашение извести происходит с образованием пушенки, имеющей высокоразвитую поверхность в виде "ощетинившегося ежа". У таких материалов велико значение угла смачиваемости и, следовательно, низка прочность сцепления молекул воды с твердой фазой. Брикет в этом случае не обладают необходимой прочностью и рассыпаются после термообработки.
Поэтому для достижения высокой прочности брикетов необходимо увеличить смачиваемость компонентов смеси, что достигается использованием при смесеприготовлении предварительно загашенной извести. При этом следует учитывать, что исходные материалы часто содержат существенное количество соединений серы, которые уменьшают смачиваемость твердых компонентов и способствуют созданию менее прочной структуры [2].
Па прочность сырых брикетов влияет уровень энергии их поверхностных слоев, при наличии жидкой среды стимулирующей возникновение сил сцепления, действующих в спрессованных материалах. Решающее влияние на образование сил поверхностного слоя зерен шихтовых материалов оказывает, прежде всего, присутствие полярных радикалов с большим отрицательным электрическим потенциалом.
С повышением полярности смачивающей жидкости возрастает склонность ее молекул образовывать водородные связи, что проявляется в значительном уменьшении поверхностной энергии. Диполь жидкости вблизи поверхности зерен мелкодисперсной шихты придает этой поверхности потенциальную адсорбционную энергию, быстро уменьшающуюся с увеличением расстояния от поверхности. На поляризованной поверхности поляризующиеся молекулы адсорбируются и ориентируются в направлении, перпендикулярном к поверхности адсорбента - основного материала шихты. Молекулы воды прежде всего адсорбируются на отрицательно заряженных поверхностях, более гидрофильных, чем поверхности с положительным зарядом.
В результате действия электромолекулярных сил и движения паров воды на поверхности твердых частиц образуется пленка адсорбированной воды. Ее толщина зависит от размера зерен, химико-минералогического состава, состава и количества адсорбированных ионов, а также температуры, давления и влажности атмосферы Характерным признаком адсорбции воды является создание прочных соединений с адсорбентом в активных центрах. Результатом взаимодействия сил между молекулами воды и поверхностным слоем твердой фазы является смачивание. Чем меньше угол смачивания, тем выше прочность сцепления твердых частиц пленкой воды. Адсорбированные диполи воды ориентированы в одном направлении, не утрачивают своей полярности и способны адсорбировать следующие слои твердого материала.
Хорошая смачиваемость обуславливает быстрое возникновение сил сцепления и образование прочных конгломератов, что является необходимым условием брикетирования. Улучшение смачиваемости зерен твердой фазы связано с наличием в исходных материалах коллоидных материалов, добавляемых в качестве связующего.
Влажность шихты имеет оптимум. При ее уменьшении по сравнению с нормой сырец расслаивается и для получения необходимой плотности брикета требуется увеличить давление прессования. Избыток жидкой фазы в шихте препятствует сближению частиц при прессовании, увеличивает упругое расширение и способствует растрескиванию и расслаиванию брикета. При большом содержании в шихте тонкозернистых фракций избыток влаги, кроме того, вызывает их гранулирование и комкование, что препятствует равномерному распределению тонких фракций по объему брикета.
Процесс гашения извести сопровождается значительным (почти в два раза) увеличением объема вследствие гидратации оксидов кальция и магния. При наличии в сырце не-прореагировавших с водой частиц этих оксидов он может разрушаться в процессе сушки или автоклавной обработки.
Исследование технологии получения композиционных медьсодержащих брикетов
Первоначальная тепловая обработка сырых брикетов в сухом воздухе при 343-353 К также приводит к их упрочнению, но пересушивание вызывает потерю прочности. Сушка брикетов на воздухе без предварительной тепловой обработки недостаточно эффективна;
- добавка гипса к негашеной извести в количестве более 25% от массы последней позволяет уменьшить время силосования шихты без ущерба качеству получаемых брикетов. При содержании гипса, превышающем количество негашеной извести, необходимость в силосовании отпадает. При отсутствии в шихте извести такое силосование даже снижает прочность брикетов, поскольку гидратация сульфата кальция должна происходить в уже сформованном брикете.
Однако, несмотря на существенные преимущества использования разновидностей сульфата кальция (выпускаемый промышленностью алебастр, строительный гипс, ангидрит и др.) в качестве вяжущего, его применение для брикетирования металлургической шихты осложнено повышенной стоимостью: почти в два раза большей, чем извести. Использование в качестве вяжущего более дешевых гипсовых отходов производства криолита или суперфосфата (цена - на уровне цены извести) оправдало лишь при условии отсутствии в иих вредных для медеплавильного производства примесей. Исследования проводили с ангидритом производства Полевского криолитового завода (влажность 0.52%) и заводскими пробами сульфидного медного концентрата (влажность 6,5%) и циклонной пыли (влажность 8.0%). Основные характеристики ангидритового вяжущего по техническим условиям завода-изготовителя: - химический состав, %: CaS04 98.8-99.5, СаО 0.5-1.2, CaF2 1.5-1.9, H2S04 0.08-0.10, Н20Крист. 0.0-0.7, Si02 0.06-0.24; - гранулометрический состав: при просеивании через сито с сетками 063 и 01 по ГОСТ 23789 проходит не менее 100% и 95% материала, соответственно. Методика проведения опытов по брикетированию включала: - смешивание заданных количеств компонентов СМСШ в фарфоровой ступке в последовательности: концентрат — пыль — ангидрит; - увлажнение смеси расчетным количеством воды и повторное смешивание; - выдержку увлажненной смеси в течение заданного времени для гидратации ангидрита; - двухстороннее прессование образцов в цилиндрической пресс-форме диаметром 25.0 мм (по 5 штук из одного замеса); - определение прочности образцов раздавливанием по цилиндрической поверхности перпендикулярно направлению прессования. Испытание проводили на установке, включающей рычажные весы; в качестве оценки прочности образца брали величину нагрузки, при которой на образце появлялась первая трещина; - определение влажности образца сушкой его остатков до постоянного веса. В соответствии с существующей технологией производства брикетов на ЗАО ЬСМЭЗ исследовали влияние состава смеси, длительности ее гидратации, давления прессования и условий термообработки на свойства образца - прочность и влажность. Все исследования проведены со смесью равных количеств концентрата и пыли. Установлено, что в первую очередь прочность образцов зависит от величины давления прессования (рис. 1.6). Уменьшение влажности образцов с увеличением давления до 29.4 МПа вероятно связано с активированием реакции гидратации ангидрита при сжатии смеси; характерно, что этому давлению на кривой прочности соответствует отчетливая площадка. Поэтому в дальнейшйх опытах образцы пр ссов ли-при"давленіій"19.6 МПа7 когда его влияние на гидратацию ангидрита считали незначительным, и при давлении 29.4 МПа, когда это влияние следовало учитывать. Изменение расхода воды и связующего экстремально влияло на прочность образцов, что известно из практики брикетирования (рис, 1.7). Появление максимума прочности при увеличении влажности смеси связывают с достижением максимальной капиллярной влагоемкости, что согласуется с данными теоретических расчетов, показывающих, что для случая двух сферических частиц, стягиваемых жидкой прослойкой, капиллярные силы проходят через максимум [20]. Такая зависимость объясняется тем, что при увлажнении сухого материала вода вначале неравномерно распределяется в объеме и по поверхности частиц, поскольку стягивается к точкам их контакта. Последующее увлажнение приводит к росту числа манжет и увеличению количества воды в каждой из них, что способствует росту сил капиллярного сцепления и повышению прочности образцов. Дальнейшее увеличение влажности вызывает заполнение пор, что в конечном счете устраняет стягивающие капиллярные мениски, ослабляя силы капиллярного сцепления и как следствие - прочность образцов. Остаточная прочность переувлажненных образцов обусловлена лишь силами межмолекулярного взаимодействия, которые в этом случае, при более свободном перемещении частиц, проявляют себя полнее. С этих же позиций объяснимо и существование максимума прочности при увеличении расхода связующего в смеси. При избытке последнего быстрее достигается пересыщение раствора продуктами гидратации вяжущего, в связи с чем увеличивается относительная скорость твердения комков. Однако их прочность по абсолютному значению оказывается ниже, чем при оптимуме расхода связующего, из-за общего недостатка воды, необходимой для гидратации. С другой стороны, недостаток связующего увеличивает время, необходимое для достижения раствором состояния пересыщения. Пересыщение оказывается относительно невысоким, что уменьшает скорость гидратации и прочность затвердевших образцов, так как армирующие их кристаллы новообразований в этом случае получаются относительно крупными и с пониженными механическим свойствами. От длительности выдержки приготовленной смеси перед прессованием прочность образца зависела только в случае, если прессование проводили под давлением не менее 29.4 МПа (рис, 1.8), Наиболее вероятно это связано с ускорением гидратации ангидрита под таким давлением, чему соответствует и динамика изменения влажности образцов: при одинаковом расходе воды (3.9%) повышение давления прессования также сопровождалось более полной гидратацией ангидрита. После извлечения из пресс-формы образца, полу ченного под давлением 29.4 МПа и более, его диаметр сразу увеличивался по сравнению с диаметром пресс-формы на 0.10-0.15 мм, что подтверждало активирование гидратации ангидрита в объеме материала при его сжатии. При меньшем давлении прессования этот эффект не наблюдали. / Вероятно, гидратация ангидрита, происходящая в приготовленной смеси, в естественных условиях завершается образованием менее прочной модификации новообразования, нежели когда этот процесс идет при сжатшГ1ГмесйГи таказСестественная убыль не-прореагировавшего ангидрита в смеси, увеличивающаяся со временем ее выдержки, уменьшает со временем количество более прочной фазы и, соответственно, прочность образцов.
Образцы, полученные из смеси рекомендуемого состава (концентрат : пыль 1:1; доля ангидрита 5.3%; доля воды 3.6%; влажность брикета-сырца 9.2% прессованием под давлением 29.4 МПа, упрочняли затем при 333-353 К сушкой или пропаркой. Сырец в результате ТВО в герметичной емкости в течение 2.5 часов практически не изменил геометрические размеры; его прочность (здесь и далее — давление разрушения в направлении прессования) возросла до 12.1 МПа. После обработки в печії в воздушной атмосфере (тепловой удар: 773 К, 20 минут) его геометрические размеры также не изменились, масса уменьшилась на 4.9%, а прочность - до 2.6 МПа.
Шахтная плавка ЗАО «Карабашмедь» и направления ее модернизации
Методика испытаний предусматривала смешивание заданного количества компонентов шихты (медный концентрат и циклонная пыль с массовым соотношением 1:1; масса замеса 50 кг), которое осуществляли в лабораторном бетоносмесителе в течение 4-6 ми нут. Затем добавляли расчетное количество воды и повторяли смешивание. В качестве вяжущих компонентов испытывали ИПС и строительный гипс. Влажность материалов определяли электронным влагомером фирмы «Sartorius» (Германия). Приготовленную смесь выдерживали перед прессованием в герметически закрытых пластиковых мешках в течение 1-4 часов. Прессование смеси производили на прессе ПК-1200 (размер пресс-формы, мм: 250-125-65) с ручной загрузкой камер и на промышленном прессе (размер пресс-формы, мм: 252-125-85) с штатным заполнением камер. Во всех опытах отделение брикетов от пуансонов шло чисто, при подъеме манипулятором на ленту брикеты не ломались.
Сырые брикеты обрабатывали затем тремя способами: естественной сушкой па воздухе / в камере ТВО при температуре 353-358 К / в сушильном шкафу при температуре 343-363 К. Прочность брикетов определяли раздавливанием на плашку.
Результаты испытаний (табл. 1.10) свидетельствуют о том, что во всех опытах прочность сырца (до 2.12 МПа) превосходила прочность рядового брикета, полученного по существующей технологии (до 0.88 МПа), что позволяет транспортировать его без дальнейшего упрочнения. После обработки сырца самую высокую прочность (2.12 / 7,53 / 4.44 МПа) имели брикеты с гипсовым вяжущим. Дозировка в шихту гипсового вяжущего увеличивало пластичность массы, улучшало ее формуемость и облегчало тем самым съем брикетов с пресса.
Недостаточная по сравнению с достигнутой в лабораторных условиях прочность по-лучепньгх промышленных брикетов вызвана более низким давлением прессования, а также иным соотношением размеров промышленного брикета по сравнению с опытными образцами. Тем не менее, в опытно-промышленных условиях с применением вяжущего на основе сульфата кальция были получены брикеты, превосходящие рядовые но прочности и не требующие автоклавной обработки для упрочнения.
Результаты лабораторных исследований ангидрита в качестве связующего явились отправными для отработки состава смеси в дальнейших опытах более крупного масштаба, которые проводили в различных вариантах смешивания и прессования. Схема "лабораторный смеситель — промышленный пресс "-Для опытов в цехе принят исходный оптимальный (по_ лабог;дідрш гм данньім)_состав смеси, % масс: концентрат (К) 42.9, пыль (П) 41.9, ангидрит (А) 5.3, вода (В) 9.9 с варьированием В (9.7 и 8.0%) и А (6.0 и 8.0%). Методика опытов предусматривала смешивание компонентов в лабораторном бетоносмесителе в течение 3-5 минут (масса замеса 50.0 кг) с контролем исходной влажности В1; добавку воды до заданной влажности В2 и смешивание; добавку заданного количества ангидрита и окончательное смешивание. Убыль влажности смесей (В, % / А, %) после добавления ангидрита, вызванного его гидратацией, абс. %: 0.28(8.0/6.0), 0.62(6.97/6.0), 1.48(9.50/6.0), 1.25(9.65/6.0), 0.82(8.0/8.0), 0.84(9.65/8.0), Приготовленную смесь (50 кг) выдерживали в герметичной таре в течение 5-6 часов и затем прессовали в штемпельном коленно-рычажном прессе СМ-152 при давлении 15 МПа и ручной загрузке смесительных камер промышленного пресса; их прочность определяли раздавливанием в положении «на плашку». Наиболее качественными оказались брикеты выбранного в лаборатории состава -9.65/6.0. Прочность таких брикетов, определенная раздавливанием «па плашку», МПа: сырца 0.76; после упрочнения в сушильном шкафу (383 К в течение 10.5 час) 0.88-1.37; после ТВО (разогрев до 353 К-3.0 часа, выдержка при этой температуре-3.0 часа) 1.16. Этот состав выбран для дальнейших опытов, включающих наработку партии смеси (300 кг) для промышленного пресса, обеспечивающей штатное производство брикетов. Последовательность смешивания компонентов: смешивание 1 (концентрат + пыль + ангидрит); смешивание 2 (вода). Попытка смешивания в ином порядке: смешивание 1 (концентрат + ангидрит + вода); смешивание 2 (пыль) была неудачна: быстро образовались очень прочные гранулы из концентрата, которые далее не смешивались с пылью. Влажность порций приготовленной смеси (В1) равнялась 8.0-8.6%; через 4 часа после смешивания она уменьшилась до 7.5-7.8%. Прессовка осуществлялась на промышленном прессе с штатным заполнением камер. Отделение брикетов от пуансонов шло чисто, но при подъеме манипулятором на ленту сырые брикеты иногда ломались. Возможная причина - повышенная масса брикета -до 6.4 кг (рядовой - около 5 кг). Полнота съема брикетов-сырцов составила 80-85%. Возможными причинами неудовлетворительного съема являлись: - недостаточное заполнение камер прессования рыхлой смесью, что подтверждено далее расчетом: при массе брикета 6.5 кг плотность опытной смеси в камере прессования была равна 1.47 г/см , что превосходило ее насыпной вес почти на 13%, т.е. при заполнении камер происходила подпрессовка смеси лопастями смесительной камеры пресса. Насыпной вес рядовой смеси был существенно меньше (около 1.18 г/см ); - недостаток связующего, или незавершение реакции его гидратации, или избыток влаги в смеси. Свойства полученного брикета-сырца: прочность «на плашку» 0.93 МПа, влажность В2 8.2%. Необходимая прочность брикета была достигнута сушкой при 383 1С.
С целью дальнейшего повышения прочности брикета-сырца варьировали расход ангидрита и воды (табл. 1.11). Прочность брикета (А = 7.0%, В2 = 8.0%) через 13 суток естественной сушки составила 3.85 МПа, его плотность 2.45 кг/дм3. Для обеспечения необходимой прочности сырца его плотность должна быть 2.9-3.0 кг/дм , для чего требовалось увеличить давление прессования.
Изменение влажности и последовательности смешивания компонентов шихты существенно влияло на се свойства, оцениваемые в процессе приготовления смеси по пробным брикетам массой 120 г, получаемым в пресс-форме с диаметром пуансона 40 мм (табл. 1.12).
При смешивании 2 переувлажненный участок смеси, образующийся за счет капиллярного эффекта при добавлении воды, в дальнейшем сдерживал в себе воду и дополнительно притягивал ее извне, поскольку в нем происходила гидратация ангидрита. Поэтому равномерного распределения воды по объему смеси не происходило, она устойчиво ком-ковалась в процессе смешивания, отчего насыпной вес смеси и прочность брикета уменьшались.
Добавка ангидрита в конце смесеподготовки улучшала ее результаты: первичное окомкование смеси, еще не содержащей связующего, происходило также за счет капиллярного эффекта, но последующий контакт такого переувлажненного участка с ангидритом вьцывал "оттяжку" воды из него для гидратации ангидрита, отчего первичные увлажненные комки разрушались и вода более равномерно распределялась по объему смеси, а ее насыпной вес и прочность брикета увеличивались. Однако эта схема требовала изменений существующей аппаратурной схемы и поэтому не была реализована.
В следующей партии смеси (300 кг), приготовленной аналогично, влажность смеси (В1 = 7.0-7.7%) уменьшалась на 0.2 % за 1 час хранения. Прочность сырца «на плашку» составила 1.53 МПа, влажность 7.92%. Полнота съема брикетов осталась на прежнем уровне. Результаты упрочнения брикетов, МПа: естественная сушка, 12.0 часов - 1.64; сушка при 383 К, 12 часов - 3.60; автоклавированис при давлении 0.39 МПа, 4 часа — 1.68.
Анализ способов огневого рафинирования меди с повышенным содержанием никеля
Торф как полезное ископаемое органического происхождения, являющееся молодой горной породой отряда каустобиолитов, занимает в нем особое место в связи со сложностью состава, неоднородностью структур и наличием комплекса органических веществ (битумов, углеводов, гуминовых кислот), которые могут широко использоваться в сельском хозяйстве, химической промышленности, металлургии и др.
На современном этапе развитие торфяного производства должно быть связано с расширением областей применения торфа в народном хозяйстве. В свою очередь, развитие технологии добычи и переработки должно базироваться на совершенствовании существующих способов добычи и внедрении принципиально новых процессов, снижающих зависимость результатов производства от неблагоприятных природно-климатических условий. Анализ торфяных ресурсов Уральского региона указывает на возможность организации производства торфяной продукции в промышленных масштабах как на базе действующих торфопредприятий, так и на базе вновь осваиваемых месторождений.
Согласно существующей в настоящее время классификации [30] выделено три типа торфа, в каждом типе - три подтипа, шесть групп, при общем количестве 40 видов торфа для трех типов, из них 20 видов низинного типа, 8 - переходного и 12 - верхового типа торфа. Получение композиционных материалов с заданными свойствами на основе торфа во многом определяется составом его органической и неорганической части, а также особенностями структуры в естественном состоянии.
Специфические свойства торфа хорошо соответствуют требованиям, предъявляемым к связующей добавке для окускования пылей металлургических производств. Брикеты на торфяном связующем, содержащие цветные металлы, при влажности 8-12% обладают удовлетворительной механической прочностью и термостойкостью. При нагревании до 1273 К они сохраняют форму, после чего без разрушения плавятся. Наиболее высокая механическая прочность рудно-торфяных брикетов достигнута при использовании верхового торфа.
Структура торфа зависит от характера торфонакопления и характера связей между неразложившимися остатками растений-торфообразователей, продуктами распада и минеральными включениями. Торф относится к гетеропористым системам. Его макроструктура образована в основном переплетениями остатков торфообразоватслей (древесных, травяных, моховых). Микроструктура торфа характеризуется рыхлыми агрегатами, возникающими на основе гуминовых веществ и углеводного комплекса торфа, заполняющими поровое пространство макроструктуры. Особенности микро- и макроструктуры торфа определяются главным образам соотношением между грубодисперсной частью и продуктами распада.
Наиболее важными свойствами торфа в естественном состоянии являются содержание основных компонентов (волокна и гумуса) и степень связи их друг с другом, что определяет две его основные структуры: тонкозернистую пластичную связную структуру верхового торфа высокой степени разложения и грубозернистую структуру низинного торфа. Отношение коэффициентов фильтрации по вертикали и по горизонтали является показателем анизотропности структуры торфа (Ка). Для торфа низинного типа коэффициент анизотропности составляет 1.06, а для торфа верхового типа Ка = 0.03, т.е. анизотропность выражена в наибольшей мере [31].
В торфогенном слое низинных залежей при значительном содержании кальция гумус в большей части представлен слоями гуминовых кислот, гуматами кальция, что и обуславливает возникновение массы отдельных более или менее обособленных и инертных агрегатов, не вступающих друг с другом в тесное взаимодействие. В связи с этим торф приобретает зернисто-комковатую структуру, которая еще более ярко выражается в процессе сушки и обуславливает затем меньшую прочность и большую крошимость низинного кускового торфа. В верховых залежах при крайне низком содержании кальция гумусовые вещества остаются в состоянии свободных гуминовых кислот, что придает гумусу желеобразную консистенцию, в связи с чем в процессе сушки образуется более слитная система, гумус превращается в более прочную массу с компактной структурой.
В целом прочность структуры торфа в естественном состоянии определяется соотношением продуктов распада и не разложившейся части, а также характером внутриагре-гатных и межагрегатных взаимодействий, основу которых составляют межмолекулярные, водородные, гетерополярные и другие связи. При утилизации отходов металлургических производств с использованием торфа эти связи определяют формирование пространственных структур в композиционных материалах, обеспечивая их технологические свойства. Поэтому в качестве торфяного сырья для утилизации отходов металлургических производств целесообразнее использовать торф с войлочной, чешуйчато-слоистой, плойчатой и губчатой структурой, т.е. верховой и низинный торф малой степени разложения.
Торф с перечисленными видами структур способен на единицу массы связать значительно большее количество утилизируемых отходов, чем торф других видов. Эту способность торфа косвенно оценивают по одному из его основных свойств - полной влаго-емкости, который характеризует способность структуры торфа удерживать определенное количество воды. С увеличением степени разложения Rm влагоемкость торфа резко уменьшается; если при Rm = 10% верховой торф может связать и удерживать 23 части воды на одну часть сухого вещества, а низинный торф - 14 частей, то при Rm = 40% торф удерживает всего 8-9 частей. С учетом последнего обстоятельства для целей окускования торфяное сырье должно иметь степень разложения не выше 30%. Механическая переработка торфа снижает полную влагоемкость за счет частичного разрушения структуры, уменьшения массы осмотической и иммобилизованной воды при разрушении структуры торфа.
Для формованного торфа характерна неравномерность усадочных напряжений в объеме сохнущего образца, что приводит к образованию дефектов структуры и к развитию в образце микро- и макротрещин, имеющих различную пространственную ориентацию в продольных и поперечных сечениях образца. Введение в торф наполнителей существенно изменяет структуру торфяной матрицы. Она становится зернисто-комковатой, с четкой границей раздела между частицами торфа и наполнителя. Торф в результате механического диспергирования и перемешивания имеет достаточно однородную структуру и выполняет функцию пористой матрицы с распределенными в ней частицами наполнителя. Структуру композиции в целом главным образом определяют форма и размеры частиц наполнителя.
Структура оказывает влияние на формирование одной из наиболее важных характеристик торфяных композиций - ее плотности, определяемой содержанием компонентов в смеси, их плотностью и влагосодержанием.
При смешивании компонентов шихты для объема смеси закон аддитивности часто не выполняется. В этом случае происходит разрыхление компонентов и снижение плотности или уплотнение смеси за счет распределения мелких частиц наполнителя в межпо-ровом пространстве торфяной крошки. Когда эти два процесса происходят одновременно и компенсируют изменение плотности, можно сделать допущение о равенстве объема смеси сумме объемов компонентов, составляющих композицию, и достаточно просто выразить плотность скелета композиции, т.е. плотность твердой фазы в объеме влажного материала, через плотности скелетов составляющих. Для двухкомпонентной смеси ее плотность равна кратность смешивания, показывающая сколько кг наполнителя приходится на 1 кг торфа по абсолютно сухой массе.
