Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 10
1.1. Характеристика сидеритовых руд 10
1.2. Анализ способов и схем подготовки высокомагнезиальных сидеритовых руд бакальского месторождения к металлургическому производству
1.2.1. Использование высокомагнезиальных сидеритовых руд в доменной плавке 13
1.2.2. Способы подготовки, не предполагающие удаления соединений магния из кристаллической решетки основного минерала 14
1.2.3. Способы подготовки высокомагнезиальных сидеритов Бакала к металлургическому производству, связанные с разрушением кристаллической решетки основного минерала 21
2. Характеристика объекта и методов исследования 30
2.1. Высокомагнезиальная сидеритовая руда Бакальской группы месторождений 30
2.2 Характеристика методов исследования 35
2.3. Методика проведения экспериментов 45
2.3.1. Методика проведение экспериментов в лабораторных условиях 45
2.3.2. Схема проведения «укрупннных» лабораторных испытаний 49
3. Определение и исследование физико-химических параметров комплексной переработки высокомагнезиальных сидеритовых руд 53
3.1. Определение параметров термообработки сырой сидеритовой руды 53
3.2. Фазы и структуры, образующиеся при «мягком» обжиге 56
3.3. Активация полученного в условиях «мягкого» обжига КОС. Фазы и структуры, образующиеся при активации 64
3.3.1 Активация с помощью водяного пара з
3.3.2 Активация без использования водяных паров 70
3.4. Исследование магнезиоферритной фазы, образующейся при «мягком»
обжиге сидеритовых руд, методом мссбауэровской спектроскопии 74
4. Определение и выбор технологических параметров комплексной переработки высокомагнезиальной сидеритовой руды бакальского месторождения 84
4.1. Влияние температуры «мягкого» обжига и изотермической выдержки обожжнного материала на степень извлечения оксида магния 86
4.2. Выбор схемы активации обожжнного огарка 91
4.3. Выделение ферромагнитной фракции из обожжнного и активированного материала методом сухой магнитной сепарации 95
4.4. Выщелачивание оксида магния из продукта сухой магнитной сепарации 102
4.5. Получение железорудного концентрата магнезиального и сопутствующих продуктов 1 4.5.1. Получение железорудного концентрата магнезиального 109
4.5.2. Получение других сопутствующих продуктов 110
4.6 Применение железорудного концентрата магнезиального для получения агломерата 112
Заключение 119
Список сокращений 121
Список литературы 122
- Способы подготовки, не предполагающие удаления соединений магния из кристаллической решетки основного минерала
- Характеристика методов исследования
- Активация полученного в условиях «мягкого» обжига КОС. Фазы и структуры, образующиеся при активации
- Выделение ферромагнитной фракции из обожжнного и активированного материала методом сухой магнитной сепарации
Введение к работе
Актуальность
В настоящее время металлургические комбинаты Уральского региона обеспечены местным сырьём только на 50 – 60 %, при этом запасы качественного железорудного сырья неуклонно сокращаются. В связи с этим возникает необходимость расширить местную сырьевую базу и задействовать труднообогатимые руды, которые до настоящего времени либо вообще не использовались, либо использовались в ограниченных масштабах. В недрах Уральского региона залегают крупные месторождения титаномагнетитовых, сидеритовых, железохромоникелеевых и других би- и поликомпонентных руд, которые помимо железа также содержат титан, хром, никель, магний и другие необходимые для промышленности элементы. Дальнейшее стабильное развитие черной металлургии Урала подразумевает решение задачи эффективной переработки данных руд, что предполагает как увеличение глубины извлечения железа, так и расширение спектра извлекаемых компонентов. При этом технологические схемы подготовки уральских руд к металлургическому производству должны сводить к минимуму экологическую нагрузку на окружающую среду.
Согласно Стратегии развития металлургической промышленности России на период до 2020 года создание надёжной минерально-сырьевой базы и обеспечение её развития и воспроизводства, в том числе и за счёт разработки способов подготовки местного железосодержащего сырья к металлургическому производству, является общегосударственными задачами.
В общей доле разведанных запасов железных руд Уральского региона
около 10 % (свыше 1 млрд. тонн) приходится на сидеритовые, представленные
Бакальской группой месторождений. Руды Бакала характеризуются
относительно низким содержанием железа (27 – 30 %) и высоким – оксида магния (10 – 13 %), избыток которого во время плавки приводит к образованию высоковязких и тугоплавких шлаков. В настоящее время сидеритовые руды крайне ограниченно используются в доменном процессе, так как разделение данных компонентов на базе технологической схемы подготовки, применяемой в настоящее время Бакальским рудоуправлением, принципиально невозможно.
Таким образом, разработка способа подготовки высокомагнезиальных
сидеритовых руд к металлургическому производству, предполагающего
получение наряду с железорудным концентратом, также других
сопутствующих продуктов и, прежде всего, оксида магния высокой чистоты, является актуальной задачей.
Цель работы
Разработка способа подготовки высокомагнезиальных сидеритов к
металлургическому производству методами пиро- и гидрометаллургии, на базе
которого возможно создание технологии, позволяющей получать
железорудный концентрат с содержанием общего железа не менее 58 %, а
также другие сопутствующие продукты, и прежде всего, высокоактивную магнезию с долей MgO не менее 98 %.
Для выполнения поставленной цели в ходе работы были решены следующие основные задачи:
Проанализированы существующие способы подготовки
высокомагнезиальных сидеритов к доменному переделу.
Определены условия термообработки исходной сидеритовой руды, которые позволяют получать железорудный концентрат, а также другие сопутствующие продукты, и прежде всего, высокоактивную магнезию.
Изучен химический и фазовый состав высокомагнезиальной сидеритовой руды и продуктов ее обжига в найденных условиях.
Установлено, что из продукта обжига возможно селективное извлечение оксида магния раствором диоксида углерода в воде.
Разработаны способы активации обожжённых продуктов, с целью увеличения полноты и скорости выщелачивания оксида магния.
Определены основные параметры процесса выщелачивания оксида магния и физико-химические свойства продуктов, получаемых по предлагаемой схеме подготовки высокомагнезиальных бакальских сидеритовых руд к металлургическому производству методами пиро- и гидрометаллургии.
Проведена апробация схемы подготовки высокомагнезиальных сидеритов к металлургическому производству в «укрупнённых» лабораторных условиях.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Впервые определены условия термообработки высокомагнезиальных сидеритов, которые делают возможным селективное извлечение оксида магния раствором углекислого газа в воде.
Установлены основные структуры, образующиеся в результате термообработки высокомагнезиальных сидеритов в определённых условиях: магнезиоферрит (MgFe2O4), магнезиовюстит (FeOxMgO(1-x)), магнетит (Fe3O4) и периклаз (MgO).
Разработаны способы активации продуктов обжига, обеспечивающие
дезинтеграцию кристаллической решетки магнезиоферритных и
магнезиовюститных структур, что способствует существенному увеличению скорости и полноты выщелачивания оксида магния.
Установлено, что наиболее полно и интенсивно оксид магния выщелачивается раствором углекислого газа в воде, из магнезиовюститных фаз, обогащённых по оксиду магния (MgOyFeO(1-y), где y > x), и из фазы практически чистого периклаза (MgO).
Научные положения, выносимые на защиту:
Найдены параметры термообработки высокомагнезиальных сидеритов Бакальской группы месторождений: обжиг необходимо проводить при температурах 550 – 650 0С в условиях отсутствия доступа атмосферного воздуха.
Установлено, что условием эффективности применения
гидрометаллургических методов является необходимость проведения
активации, которая приводит к образованию и росту магнезиовюститных фаз, обогащённых по оксиду магния (MgOyFeO(1-y), где y > x), и периклаза.
Установлены параметры процесса выщелачивания, позволяющие получать, наряду с железорудным концентратом, также другие сопутствующие продукты и, прежде всего, оксид магния высокой чистоты: температура раствора от 10 до 25 0С, избыточное парциальное давление СО2 от 1 до 3 атм., соотношение твёрдое/жидкое – в интервале от 1/9 до 1/20, дисперсность поступающего на выщелачивание материала – менее 200 мкм.
Обоснованность и достоверность полученных результатов
подтверждается сходимостью результатов теоретического анализа с
результатами экспериментальных исследований, а также положительными результатами испытаний в «укрупнённых» лабораторных исследованиях.
Практическая ценность результатов работы:
Реализация разработанного способа подготовки высокомагнезиальных
сидеритов к металлургическому производству позволяет: получать
железорудный концентрат (Fe 58%, MgO от 6 до 8 %) и сопутствующий
продукт – магнезию высокой чистоты (MgO 98%), и делает возможным его
апробацию в полупромышленных и промышленных масштабах. Замещение
концентрата обожжённого сидерита (КОС), производимого по применяемой
ныне схеме подготовки на концентрат с более высоким отношением Feобщ/MgO
позволит, например, в условиях агломерационного производства ОАО «ММК»
увеличить объём потребления данного концентрата при производстве
агломерата более чем в 2,3 – 3,2 раза и довести его до 480 – 700 тыс. тонн в год.
Это позволит сократить потребление других концентратов, например,
концентрата АО «Соколовско-Сарбайское горно-обогатительное
производственное объединение» (ССГПО), ввозимого из-за рубежа, на 280 – 480 тыс. тонн в год, и сэкономить 41,7 – 57,4 млн. рублей в год. Предлагаемая технология не ухудшает экологических условий подготовки концентрата обожженного сидерита, а также не предусматривает привлечение посторонних реагентов. Кроме того, образующаяся газовая фаза может быть использована в качестве горючего газа для энергетических потребностей.
Апробация работы
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на:
научно-практической конференции «Современная металлургия начала
нового тысячелетия» (г. Липецк, 2012); 71-й, 72-й и 73-й научно-технических
конференциях МГТУ им. Г.И. Носова «Актуальные проблемы современной
науки, техники и образования» (Магнитогорск 2013, 2014, 2015);
международной научно-практической конференции «Создание
высокоэффективных производств на предприятиях горно-металлургического комплекса» (Верхняя Пышма, 2013); научной конференции «Физико-химическая геотехнология» (Москва, 2013); межрегиональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и производство Урала-2014» (Новотроицк, 2014); XIX Международной научно-технической конференции «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» (Екатеринбург, 2014); VI Всероссийской научно-практической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии» (Самара, 2014); Международном научном форуме молодых ученых «Наука будущего – наука молодых» (Севастополь, 2015), конкурсе научно-исследовательских проектов «Челябинская область – это мы!» (Челябинск, 2015).
Работа выполнена в рамках плана стратегического развития ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г. И. Носова» на 2012 – 2016 годы (проект 2.1.1).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 научных работ: в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 11 докладов по материалам межрегиональных, всероссийских и международных научных конференций.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 144 страницы текста, 46 рисунков, 19 таблиц и 108 наименований библиографии.
Способы подготовки, не предполагающие удаления соединений магния из кристаллической решетки основного минерала
В доменном процессе бакальские сидериты использовались в виде сырой руды, КОС, а также в виде опытного агломерата, полученного в смеси с другими рудами. На Ашинском и Саткинском металлургических заводах была освоена технология плавки КОС в смеси с бурыми железняками в доменных печах малого объма. Доля КОС в доменной шихте рассчитывалась таким образом, чтобы получить шлаки с отношением CaO/SiO2 равным 0,8, содержащие18 – 20 % оксида магния и 11 – 12 % SiO2 [18]. Получаемые в ходе плавки доменные шлаки были достаточно текучи и обладали устойчивостью по отношению к изменению химического состава кокса, железорудной составляющей доменной шихты и технологических параметров доменной плавки, что обеспечивало нормальный ход доменных печей [19].
Для определения возможности плавки бакальских сидеритов в печах большого объма были проведены исследования физико-химических свойств, получаемых шлаков, содержащих от 5 до 30 % оксида магния с отношением CaO/SiO2 в пределах от 0,6 до 1,15 [20]. По расчтам авторов использование в доменной плавке до 20 – 40 % бакальских сидеритов позволяет получать шлаки с содержанием MgO 10 – 15 % и основностью 0,9, которые обладают невысокой вязкостью и температурой кристаллизации около 1290 0С. Шлаки с такими физико-химическими характеристиками обладают достаточным для работы печей большого объма запасом устойчивости, как в случае изменений температурного режима, так и химического состава[21, 22].
Рекомендации, полученные по результатам выполненных исследований, нашли сво подтверждение в ходе проведения опытных доменных плавок и были использованы для разработки технологии доменной плавки с использованием высокомагнезиальных сидеритовых руд [23 - 27]. Таким образом, сидеритовые руды Бакальского месторождения использовались и используются в смеси с другими рудами в доменных печах Орско-халиловского, Карагандинского, Челябинского, Нижнетагильского и Магнитогорского металлургических комбинатов, при этом их доля в доменной шихте определяется оптимальным химическим составом получаемых шлаков. Например, в условиях ОАО «ММК», для получения оптимальных по содержанию оксида магния доменных шлаков, при производстве агломерата используется всего 5 – 7 % добавка бакальских сидеритов в виде КОС [28].
Ниже будут рассмотрены способы подготовки, в ходе которых определнная обработка сырой руды, или продукта ее обжига позволяет разделять основной минерал и минералы пустой породы без разрушения общей кристаллической рештки. Данные способы базируются на различиях в физических и физико-химических свойствах (плотность, удельная магнитная восприимчивость, радиоспектроскопические свойства, и др.) минералов пустой породы и основного минерала. При этом глубина различия свойств разделяемых минералов во многом определяет эффективность применяемых операций [29-34].
Сидероплезит относится к слабомагнитным минералам. В работах [6, 8, 35-38] авторы отмечают, что обжиг сырой сидеритовой руды приводит к многократному увеличению удельной магнитной восприимчивости основного железосодержащего минерала. При этом магнитные свойства других минералов, слагающих бакальские сидеритовые руды, к которым относятся: магнезит, арагонит, анкерит, кварцит и др. практически не изменяются.
Существенные различия в магнитных свойствах железосодержащего минерала и пустой породы позволяют эффективно проводить их разделение в относительно слабом магнитном поле. Поэтому наиболее распространены схемы подготовки бакальских сидеритов к металлургическому производству, предусматривающие проведение термообработки с последующей сухой магнитной сепарацией обожжнного полупродукта.
Обжиг сидеритовой руды связан со значительными энергетическими и тепловыми затратами на нагрев кусковой руды, на диссоциацию исходных карбонатных соединений и др. Поэтому предлагалось проводить предварительное обогащение сырой руды с использованием отсадки в тяжлых суспензиях или рентгенорадиометрической сепарации.
Эффективным методом предобогащения, как установлено в лабораторных условиях институтом «Уралмеханобр» [39], является обогащение бакальских сидеритов в тяжлых суспензиях. Отделение пустой породы в этом случае осуществляется за счет разности в плотностях сидероплезита, плотность которого составляет 3,5 - 3,9 т/м3, и анкерита, доломита, магнезита, которые концентрируются во фракции плотностью от 2,8 до 3,5 т/м3. При проведении разделения в сепараторах различной конструкции более легкая фракция пустой породы всплывает на поверхность суспензии и удаляется скребками. В ходе лабораторных исследований авторами было установлено, что лучшие показатели разделения сидероплезита и минералов пустой породы достигаются при плотности суспензии равной 2900 кг/м3.
Для исследований были отобраны пробы богатой и обедннной по железу кусковой бакальской руды крупностью 12–60 мм. По данным химического анализа в составе богатой пробы руды содержание железа общего составляло 32,70 %, обедннной – 28,46 %. После разделения минералов исходной руды в тяжлой суспензии были получены концентраты, содержание железа общего в которых составило 34,95 % и 31,93 % для богатой и обедннной проб, соответственно. При этом содержание железа в хвостах установилось на уровне 6,72 % и 13,24 %. Мелкие классы руды фракцией 1-12 мм обогащались отдельно, и для них была установлена оптимальная плотность тяжлой суспензии, которая также составила 2900 кг/м3.
На основании полученных в ходе лабораторных исследований результатов были проведены полупромышленные испытания по предобогащению бакальских сидеритов в тяжлых суспензиях. Испытания проводились на дробильно-обогатительной фабрике комбината «Магнезит» и на металлургическом заводе «Сибэлектросталь». Полученная после грохочения и выделения мелочи фракцией менее 10 мм руда крупностью до 60 мм отправлялась на тяжлосредное разделение в барабанных сепараторах. Возможность обогащения подрештного продукта крупностью менее 10 мм исследовалась отдельно в тяжлосредном низконапорном гидроциклоне. В результате были получены концентраты, содержание железа в которых увеличилось на 3-3,5 % по сравнению с сырой рудой, в то время как выход концентрата составлял около 85,5 — 87 % . Степень извлечения железа в концентрат достигла 95,5 - 96,5 %. Применять тяжлосредное предобогащение карбонатных железных руд в аппаратах различной конструкции планировалось на Бакальском рудоуправлении, однако до сих пор предлагаемый способ предобогощения на предприятии не осуществлен. Предварительное удаление крупных кусков руды с низким содержанием полезного компонента и кусков вскрышных пород предлагалось осуществлять также рентгенорадиометрическим методом [40]. В опытах на ЗАО НПК «Техноген» использовался рентгенорадиометрический сепаратор СРФ4-150М, который позволяет перерабатывать в потоке кусковую сидеритовую руду фракцией от 20 до 300 мм. Химический состав кусков, проходящих по конвейеру, определяется рентгенорадиометрическим методом[41].
Характеристика методов исследования
В литературном обзоре было отмечено, что получение качественного железорудного концентрата из сидеритовых руд Бакала предполагает структурное разрушение общей кристаллической рештки соединений железа и магния и удаление излишек последнего. Для получения наряду с железорудным концентратом также и второго продукта – высокоактивной магнезии с низким содержанием примесных оксидов следует осуществлять выщелачивание оксида магния реагентом, обеспечивающим его селективное извлечение. Производство и применение данного реагента должно быть экономически целесообразным, а также безвредным для окружающей среды и рабочего персонала.
Поэтому для извлечения оксида магния предлагается использовать слабую угольную кислоту (раствор диоксида углерода в воде), так как H2CO3 удовлетворяет всем предъявляемым требованиям. Кроме того, е получение не потребует привлечения сторонних реагентов, так как для этого можно использовать диоксид углерода, образующийся при диссоциации карбонатов на различных технологических стадиях процесса переработки сидеритовой руды.
Однако обработка измельчнной до фракции менее 100 мкм пробы КОС, полученного по действующей на Бакальском рудоуправлении (БРУ) технологической схеме, раствором диоксида углерода в воде в течение 5 часов при атмосферном или повышенном давлении позволяет извлекать не более 2 – 3 % оксида магния. При этом часть из перешедшего в раствор MgO приходится на периклаз, который в незначительных количествах образуется в процессе обжига при разложении доломитовых включений. Основная же часть оксида магния, которая находится в составе продукта окислительного обжига в виде химически устойчивого магнезиоферрита (MgFe2O4), фактически не извлекается угольной кислотой. Поэтому КОС, получаемый в условиях БРУ, не удовлетворяет предлагаемой технологии углекислотного выщелачивания.
Для получения качественного железорудного концентрата с высоким содержанием железа общего и низким содержанием оксида магния необходимо изменить условия термообработки руды таким образом, чтобы свести к минимуму образование фазы магнезиоферрита.
Из литературных источников [64, 65] известно, что главным фактором определяющим вероятность образования фазы магнезиоферрита является атмосфера обжига. Обжиг смеси оксидов железа (II) и магния в окислительных условиях способствует интенсивному образованию магнезиоферрита, а в восстановительных – конечным продуктом данной реакции является тврдый раствор FeOMgO (магнезиовюстит). Поэтому для предотвращения образования магнезиальной шпинели обжиг сырой сидеритовой руды проводился в условиях отсутствия доступа в зону реакции диссоциации исходного сидероплезита свободного кислорода.
Согласно данным Б. П. Юрьева и В. А. Гольцева о фазовом составе обожнной при различных температурах сидеритовой руде, опубликованным в статье [66], интенсивность образования фазы MgFe2O4 также определяется температурой обжига. При е увеличении количество образовавшейся фазы магнезиоферрита в составе обожжнной руды увеличивается. Так по сведениям авторов в результате обжига при температуре 500 0С и последующем охлаждении на воздухе образуется всего 8,5 % масс. магнезиоферрита, а при увеличении температуры до 700 0С при прочих равных условиях – уже 68,5 % масс. Следовательно, снижение температуры обжига сырой руды, которая по действующей на Бакале технологии составляет 900 — 1100 0С, позволит замедлить скорость реакций образования магнезиоферрита. При этом минимальная температура обжига в данном случае определяется температурой необходимой для диссоциации исходного сидероплезита. С целью более детального изучения процесса разложения сырой сидеритовой руды были проведены термогравиметрические исследования. Полученная в результате термограмма разложения сидеритовой руды бакальского месторождения приведена на рисунке 3.1. Из представленных данных следует, что разложение сидероплезита начинается при температуре около 400 0С и заканчивается при температуре менее 650 0С [67 - 69]. Этот температурный интервал соответствует первому пику на термограмме сырой руды (рисунок 3.1).
Разложение же минералов вмещающих пород, к которым относятся доломит (СаСО3MgCO3) и кальцит (CaCO3), происходит при более высоких температурах. К примеру, второму пику на представленной термограмме соответствует интервалу температур разложения доломита. Кальцит, который также встречается в составе сидеритовой руды бакальского месторождения, разлагается при более высоких температурах (свыше 910 0С).
Таким образом, температура окислительного обжига может быть снижена до 600 – 650 0С. В этом случае в исходном материале диссоциирует до оксидов преимущественно только сидероплезит, а вмещающие породы (доломит и кальцит) практически не разлагаются. Углекислотная обработка ферромагнитной части огарка, полученного в результате обжига при температуре 600 0С в окислительных условиях, позволяет извлечь не более 10 – 15 % оксида магния в раствор в виде бикарбоната магния. Увеличение степени извлечения оксида магния при понижении температуры окислительного обжига свидетельствует об уменьшении интенсивности образования химически устойчивого магнезиоферрита, из которого MgO угольной кислотой не извлекается.
Проведение термообработки исходной сидеритовой руды при температуре 600 0С и в условиях отсутствия доступа кислорода воздуха позволило дополнительно увеличить степень извлечения оксида магния, при выщелачивании ферромагнитной части полученного огарка слабой угольной кислотой, до 25 – 30 %.
Поэтому для предотвращения образования химически устойчивого магнезиоферрита необходимо проводить термообработку сырых сидеритов при температуре не выше 650 0С и в условиях отсутствия доступа кислорода воздуха. Термообработка высокомагнезиальных сидеритов Бакала в указанных условиях, т.н. «мягкий» обжиг, позволит с одной стороны произвести разложение исходных карбонатных соединения основного минерала, не затрачивая тепло на диссоциацию включений доломита и кальцита, а с другой – уменьшить скорость реакции образования магнезиоферритной фазы.
Активация полученного в условиях «мягкого» обжига КОС. Фазы и структуры, образующиеся при активации
Как отмечалось ранее, огарок, получаемый в условиях «мягкого» обжига характеризуется сравнительно низкой степенью извлечения оксида магния, которая составляет около 25 - 30 % при продолжительности процесса выщелачивания равном 5 и более часам. Улучшения показателей по удалению излишек оксида магния можно добиться в результате обработки обожжнного материала водяным паром (активация водяным паром). В ходе взаимодействия FeO, входящего в состав тврдого раствора FeOxMgOy (где x + y = 1), с водяными парами происходит распад магнезиовюститных фаз с выделением практически чистого оксида магния, который легко реагирует с угольной кислотой.
Для смещения равновесия реакции распада магнезиовюститных фаз в сторону образования практически чистого оксида магния и скорейшего получения активированного полупродукта водяной пар подавался в многократном избытке по сравнению с его стехиометрически необходимым количеством. Использование больших количеств водяного пара также было связано с неблагоприятными гидродинамическими условиями его пропускания через реакционное пространство лабораторной обжиговой электропечи, так как особенности е конструкции и характер расположения навески исходной руды в ней не предрасполагали к максимальному контакту обжигаемого материала с водяными парами.
Способ активации по схеме ««мягкий» обжиг – охлаждение до комнатной температуры – повторный нагрев без доступа воздуха до 400 – 600 0С» менее стабильный, так как он предопределяется вероятностью образования зародышей новой фазы, а число этих зародышей может сильно меняться в зависимости от условий опыта. Поэтому для обеспечения стабильности результатов по активации огарка было предложено проводить его мгновенное охлаждение в воде, а уже затем нагревать без доступа воздуха до температур порядка 400 - 600 0С. Мы полагаем, что в этом случае активация достигается как за счт распада некоторой доли вюстита, входящего в состав магнезиовюстита, при быстром охлаждении обожжнных образцов, так и частично за счт химических превращений с участием водяного пара.
О протекании химической реакции с водяным паром свидетельствует присутствие водорода в составе газовой фазы, образующейся при активации огарка по схеме ««мягкий» обжиг – охлаждение до комнатной температуры в воде – нагрев до 550 0С». Н2 был обнаружен по итогам проведнных хроматографических исследований. На рисунке 4.4 представлена полученная по результатам упомянутых опытов хроматограмма, на которой наблюдается пик водорода, выходящий на датчике по температуропроводности № 2 (рисунок 4.4б).
Однако содержание H2 в составе отобранной газообразной пробы не превышало 1,5 % об., в то время как объм пробы не превышал 0,2 дм3. При активации водяным паром огарка той же массы образуется около 1,5 дм3 водорода. Образование незначительного количества водорода при активации обожжнного в «мягких» условиях огарка по схеме ««мягкий» обжиг – охлаждение до комнатной температуры – нагрев до 400 – 650 0С» свидетельствует о том, что активация в данном случае происходит за счт распада фазы магнезиовюстита. Исследование проводилось в среде диоксида углерода, содержание которого на момент начала испытаний составляла 99,9 % об. Образец охлажднного в воде огарка, полученного в результате обжига в «мягких» условиях, нагревался в печи до 550 0С и выдерживался при этой температуре в течение 1 часа. Присутствие незначительного количества угарного газа объясняется протеканием реакции взаимодействия СО2 с содержащимся в пробе аморфным углеродом.
На степень эффективности предложенного способа активации получаемого в условиях «мягкого» обжига огарка оказывает влияние температура повторного нагрева охлажднного в воде материала, а также продолжительность изотермической выдержки при данной температуре. В ходе исследований было установлено, что максимальная степень извлечения оксида магния при последующем углекислотном выщелачивании достигается при температурах повторного нагрева материала равной около 500 – 550 0С и продолжительности изотермической выдержки в данных условиях не менее 1 часа.
Таким образом, каждому из предложенных способов активации свойственны свои преимущества и недостатки. Например, при осуществлении активации с помощью водяных паров образуются газообразные продукты, которые после дополнительной очистки могут быть использованы, но затруднения вызывает необходимость охлаждения нагретой до 550 – 600 0С активированной сидеритовой руды при условии отсутствия доступа атмосферного воздуха. Основным недостатком активации по схеме ««мягкий» обжиг – охлаждение до комнатной температуры в воде – нагрев до 500 — 550 0С» является необходимость введения дополнительной энергомкой операции – нагрева кускового материала, поэтому для комплексной переработки сидеритовой руды по предлагаемой технологии в «укрупннных» лабораторных условиях была выбрана схема активации получаемого огарка с использованием водяного пара.
При проведении «укрупннных» лабораторных испытаний в металлическом тигле предложенной конструкции была реализована возможность осуществления активации огарка полученного в условиях «мягкого» обжига с помощью водяного пара. По окончанию обжига в парогенератор подавалась вода, и проводилась активация огарка образующимся водяным паром при температуре соответствующей температуре обжига. Водяной пар при этом проходил через столб обжигаемого материала, что обеспечивало максимальный контакт пара с разложившейся рудой.
Выделение ферромагнитной фракции из обожжнного и активированного материала методом сухой магнитной сепарации
В ЖКМ содержится значительно больше железа общего и меньше оксида магния по сравнению с КОС, полученным по действующей технологии, и соотношение Feобщ/MgO достигает 7,6 - 11,2, против 2,9 – 3,6 в КОС, полученном по применяемой технологии. Это позволяет в разы увеличить долю бакальских сидеритов в доменной шихте. Причм железо в ЖКМ содержится в основном в виде магнетита и нестехиометрического магнезиоферрита, который имеет множество дефектов кристаллической структуры и, как следствие, более химически активен по сравнению с химически устойчивым магнезиоферритом, получаемым в результате обжига сидеритов при высоких температурах (свыше 1000 0С). Это должно приводить к тому, что фаза ((MgO)y(FeO)(1-y))Fe2O3 будет легче восстанавливаться в условиях доменной плавки, что уменьшит вероятность образования гетерогенных шлаков, увеличит дренажную способность коксовой насадки в горне и снизит вероятность горения воздушных фурм и, как следствие, возникновение аварийных ситуаций из-за этого.
На основании данных о химическом составе компонентов аглошихты ОАО «ММК», которые приведены в таблице 4.10, был выполнен расчт железорудной составляющей агломерационной шихты после замены КОС, полученного по действующей технологии, на ЖКМ. Полученные результаты по первому варианту расчта представлены в таблице 4.11. В пересчте на то же количество оксида магния в железорудной составляющей аглошихты, ЖКМ может быть использовано 500 – 700 тыс. тонн в год против 214 тыс. тонн КОС, применяемого по существующей технологии. Это позволит сократить потребление других концентратов, например, привозного концентрата ССГПО на 280 – 480 тыс. тонн в год, и сэкономить 41,7 – 57,4 млн. рублей в год. Доля ЖКМ была рассчитана таким образом, чтобы содержание оксида магния в железорудной составляющей аглошихты равнялось оптимальному значению, используемому в настоящее время на ОАО «ММК».
В тоже время, рассмотренный выше вариант использования ЖКМ предполагает понижение содержания железа в железорудной части аглошихты на 0,1 – 0,02 % . Кроме того, из состава шихты выводится аглоруда крупностью до 8 мм и вместо не вводится концентрат крупностью менее 100 мкм. Увеличение доли мелких классов в аглошихте может привести к понижению производительности аглолент, и для предотвращения этого необходимо будет вносить коррективы в технологию агломерации. В настоящее время для устранения этого недостатка, например, вводят известь в аглошихту вместо известняка. В России есть аглофабрики, успешно работающие на 100 % тонкого концентрата (например, ОАО "ЕВРАЗ Качканарский горно-обогатительный комбинат", АО «Северсталь»).
В таблице 4.12 представлен другой вариант расчта железорудной составляющей аглошихты, в котором соотношение мелких и крупных классов сохранено, за счт ввода такого же количества стойленской аглоруды вместо КОС. Это позволяет сократить потребление, например, концентрата ОАО «ММК» с ДОФ-5 на 520 – 730 тыс. т., и сэкономить 33,4 – 96,2 млн. рублей в год. В этом случае уменьшение содержания железа в железорудной части шихты составит менее 0,07 – 0,04 % при одинаковом содержании оксида магния.
Предварительно проведнные эксперименты по спеканию шихты в лабораторных условиях с использованием полученного ЖКМ, не показали существенного изменения в механической прочности полученного агломерата, по сравнению со спеканием той же шихты с участием КОС, полученного по применяемому ныне способу подготовки.
Богатая сернис-тая ММК Михайлов-ская Стойлен екая Богослов-ская Караадыр-ская Велихов-ская Соснов-ская Суха Балка Яковлев-ская ПрисаддоменныйЮУГПК КОС Бурый железняк Бакаль-ского РУ Существу ющий 30,5 41,8 58,37 13,66 0,99 0,37 0,01 0,65 10,77 0,18 19,19 19,19 Предлагае мый 30,5 41,8 77,56 13,66 0,99 0,37 0,01 0,65 10,77 0,18 - 19,19 Добавки Отсев агломерата Колошниковая пыль Шламаглофабрики№ 4 Шлам к-т ГЗПО Окалина Магнитнаяфракцияконверторногошлака Оксид железа Шламмелкодисперсный ККЦ Существу ющий 41,07 15,27 13,39 0,13 20,91 45,97 1,26 10,95 Предлагае мый 41,07 15,27 13,39 0,13 20,91 45,97 1,26 10,95 В расчте использовались данные по усредннному химическому составу компонентов и их доли за 2015 год
Экономическую целесообразность предлагаемой технологии проиллюстрируем следующим образом: при переработке 1,5 млн. тонн высокомагнезиальной сидеритовой руды в год по предложенной схеме подготовки ожидаемый экономический эффект, рассчитанный с использованием возможностей программы «АЛЬТ-Инвест», достигнет 747 млн. рублей в год, срок окупаемости проекта при этом составит 4 года (в ценах 2016 года). Кроме того, реализация данного проекта по подготовке высокомагнезиальных сидеритовых руд к металлургическому производству в условиях Бакальского рудоуправления позволит создать дополнительные рабочие места и улучшить социально-экономические условия в целом.