Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Железные руды и их подготовка к металлургическому переделу 11
1.1 Краткая характеристика железорудной базы России 11
1.2 Анализ требований, предъявляемых к железорудному сырью для его металлургической переработки 15
1.3 Анализ и классификация существующих способов окускования железных руд и концентратов 18
1.3.1 Основные способы окускования железорудного сырья 19
1.3.2 Краткий обзор развития брикетирования железных руд 28
1.3.3 Основные способы брикетирования железных руд 32
1.3.4 Требования к качеству железорудных брикетов 39
1.4 Основные связующие вещества, используемые при брикетировании железных руд, и предъявляемые к ним требования 41
1.4.1 Требования к связующим веществам 41
1.4.2 Связующие материалы неорганического происхождения 42
1.4.3 Связующие материалы органического происхождения 48
1.4.4 Комбинированные связующие вещества 50
Выводы по первой главе 53
ГЛАВА 2 Изучение состава богатых полидисперсных железных руд яковлевского месторождения с целью обоснования способа их окускования 55
2.1 Общая характеристика железных руд Яковлевского месторождения
2.2 Изучение вещественного состава и физических свойств богатых железных руд Яковлевского месторождения 59
2.2.1 Определение влажности исходных руд 59
2.2.2 Определение гранулометрического состава мартитовой и гидрогематитовой руды 60
2.2.3 Определение химического состава руд 63
2.2.4 Определение плотности руд 66
2.3 Расчет основных затрат на окускование полидисперсных железных руд Яковлевского месторождения различными способами 68
Выводы по второй главе 70
ГЛАВА 3 Технологические исследования брикетируемости богатых железных руд яковлевского месторождения 72
3.1 Методика проведения исследований 72
3.2 Исследование брикетируемости руды со связующими веществами 76
3.2.1 Определение зависимости прочности железорудных брикетов от
соотношения мартитовой и гидрогематитовой руды в исходной шихте 76
3.2.2 Исследование влияния крупности шихты на прочностные свойства получаемых железорудных брикетов 78
3.2.3 Исследование влияния различных видов связующих и их расхода на прочность получаемых железорудных брикетов 81
3.2.4 Исследование влияния давления прессования на прочностные свойства железорудных брикетов
3.2.5 Определение зависимости прочности железорудных брикетов от температуры их сушки и влажности исходной шихты 93
3.2.6 Исследование влияния активизирующих добавок на прочность железорудных брикетов 3.2.7 Исследование влияния обжига на прочность железорудных брикетов 98
3.3 Исследование брикетируемости руды без связующих веществ 99
3.4 Математическое моделирование процесса брикетирования полидисперсных мартито-гидрогематитовых руд 102
Выводы по третьей главе 107
ГЛАВА 4 Технологические исследования физико механических и металлургических свойств железорудных брикетов 109
4.1 Изучение физико-механических свойств железорудных брикетов ПО
4.1.1 Определение прочности брикетов на одноосное сжатие ПО
4.1.2 Испытание брикетов на осыпаемость 112
4.1.3 Компьютерное моделирование испытания железорудных брикетов на удар при падении 117
4.1.4 Определение прочности брикетов на сбрасывание 120
4.1.5 Определение механической прочности брикетов на истирание и сопротивления истиранию 122
4.1.6 Определение плотности и пористости брикетов 125
4.2 Изучение металлургических свойств железорудных брикетов 128
4.2.1 Определение восстановимости брикетов 128
4.2.2 Определение температуры начала размягчения и температурного интервала размягчения (термостойкости) 130
4.3 Определение возможности получения брикетов из полидисперсных мартито гидрогематитовых руд на экструдерном прессе 132
ГЛАВА 5 Разработка технологической схемы и схемы цепи аппаратов технологии безобжигового брикетирования полидисперсных железных руд
5.1 Описание технологического процесса производства железорудных брикетов безобжиговым методом 146
5.2 Экономическая оценка технологического решения по окускованию полидисперсных железных руд 156
Выводы по пятой главе 169
Заключение 170
Список литературы
- Краткий обзор развития брикетирования железных руд
- Определение гранулометрического состава мартитовой и гидрогематитовой руды
- Исследование влияния различных видов связующих и их расхода на прочность получаемых железорудных брикетов
- Определение механической прочности брикетов на истирание и сопротивления истиранию
Введение к работе
Актуальность работы. Черная металлургия является одной из ведущих отраслей промышленности России, динамическое развитие которой во многом определяет состояние экономики страны в целом. Важнейшим сырьем для выплавки чугуна и стали являются железные руды, которые в зависимости от содержания основного ценного компонента могут быть использованы в металлургических процессах после обогащения или без него.
В железорудном секторе России наряду с преобладающими железистыми кварцитами, магнетитовыми и титаномагнетитовыми рудами, которые характеризуются сравнительно невысоким содержанием железа (не более 40 %), имеются и богатые руды со средним содержанием железа 60 %. На их долю приходится порядка 12,4 % всех запасов страны. Примером таких руд являются железнослюдково-мартитовые, мартито-гидрогематитовые и гидрогематито-гидрогетитовые руды Яковлевского месторождения с объемом разведанных запасов 9,6 млрд. тонн. Руды отличаются высоким содержанием железа (более 60 %), низким содержанием вредных примесей (серы, фосфора и др.), но при этом они рыхлые, полидисперсные и нуждаются в окусковании.
Вопросом окускования железных руд, в том числе методом брикетирования, занимались такие ученые как: И.Ф. Курунов, Б.М. Равич, Л.А. Лурье, М.Ф. Ортин, Н.Г. Тюренков, Н.А. Ярхо, С.Н. Толчинский, А.П. Фоняков, Г. Грендаль, Л. Юзбашев и др.
Несмотря на проведенные ранее исследования, до сих пор не предложено экономически эффективных технологических решений по окускованию богатых рыхлых полидисперсных железных руд, позволяющих получить высококачественный кусковой продукт, а также широко применяемых на практике.
Работа выполнена в рамках договора х/д 10044 от 15.07.2010 г. с Минобрнауки России по комплексному проекту № 13.G25.31.0007 «Комплексное использование природных ресурсов Яковлевского месторождения богатых железных руд для развития высокотехнологичного производства и выпуска продукции широкой номенклатуры» от 07.09.2010 г.
Цель работы. Научное обоснование и разработка рационального технологического режима окускования полидисперсных железных руд.
Идея работы. С целью снижения затрат, а также выброса твёрдых и газообразных веществ в атмосферу, полидисперсные железные руды с низким содержанием вредных примесей следует подвергать окускованию методом безобжигового брикетирования с использованием связующих веществ в установленном технологическом режиме.
Основные задачи исследования:
анализ существующих способов окускования железных руд;
изучение вещественного состава и физических свойств проб богатых полидисперсных железных руд Яковлевского месторождения;
экспериментальное изучение брикетируемости полидисперсных железных руд;
определение рационального технологического режима брикетирования полидисперсных мартито-гидрогематитовых руд;
разработка технологической схемы и схемы цепи аппаратов технологии безобжигового окускования полидисперсных железных руд методом брикетирования;
экономическая оценка предлагаемого технологического решения по окускованию полидисперсных железных руд безобжиговым методом.
Методы исследований. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Для изучения вещественного состава и физических свойств железных руд применялись ситовой, рентгенофлуоресцентный и методы классического химического анализа. При исследовании руд на брикетируемость и экструдируемость для оценки качества получаемых брикетов и экструдатов использовались физико-механические методы, а для определения возникающих в брикете напряжений - метод численного моделирования, реализованный посредством программного комплекса «Simulia Abaqus». Для обработки экспериментальных данных были использованы методы математической статистики и стандартная компьютерная программа «Microsoft Excel».
Научная новизна:
доказано, что при давлении прессования до 100 МПа получение из полидисперсных мартито-гидрогематитовых руд холоднопрессованных брикетов с требуемыми для использования в составе доменной шихты свойствами без применения связующих веществ невозможно;
выявлено, что добавка в брикетируемую шихту гидрогематитовой руды в количестве 10-20 % способствует повышению прочностных свойств получаемого кускового материала в 1,3-2 раза, что объясняется наличием в руде гидроокислов железа и глинистой составляющей;
установлено, что при использовании в качестве связующего 2,5 %-ного раствора карбоксиметилцеллюлозы в количестве 8 % прочность железорудных брикетов повышается в 2,5-3,7 раз, что обусловлено увеличением сил межмолекулярного взаимодействия за счет снижения величины поверхностного натяжения;
доказано, что железорудные брикеты, имеющие округлую форму и небольшую массу (до 50-60 г), наиболее устойчивы к разрушению при падении, что подтверждается наименьшей величиной возникающего в момент удара сжимающего напряжения;
установлены зависимости физико-механических свойств железорудных брикетов (прочности на одноосное сжатие, на истирание, на сбрасывание и др.) от ряда факторов (состава и крупности шихты, давления прессования, вида и расхода связующего, температуры сушки), что позволило определить параметры рационального технологического режима окускования богатых полидисперсных железных руд.
Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы для применения на фабриках по окускованию богатых полидисперсных железных руд, в частности на ООО «Металл-групп» Яковлевский рудник, а также могут быть использованы при чтении лекционных курсов и проведении лабораторных занятий по дисциплинам: «Основы
обогащения полезных ископаемых», «Основы переработки минерального сырья», «Основы безотходной технологии» и др.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается значительным объемом аналитических и экспериментальных исследований, величиной относительной погрешности проведенных опытов - не более 5 %, не менее 85 % сходимостью результатов опытно-промышленных и промышленных испытаний с лабораторными данными, применением современных средств измерений, использованием стандартных и отраслевых методик, а также современных методов анализа и обработки экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы освещались на IX конгрессе обогатителей стран СНГ (МИСиС, г. Москва, 2013 г.), на 9 международной молодежной научной школе «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (ИПКОН РАН, г. Москва, 2012 г.), на международном форуме горняков и металлургов (TU BAF, г. Фрайберг, Германия, 2012 г.), на международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам» (УГГУ, г. Екатеринбург, 2012 г.), на 52-ой международной научной конференции (AGH, г. Краков, Польша, 2011 г.) и др.
Личный вклад автора состоит в обзоре и анализе существующих технологий и способов окускования железных руд, обосновании направлений и методов решения поставленных задач, разработке методик, проведении лабораторных исследований, участии в проведении опытно-промышленных и промышленных испытаний, обработке и анализе полученных результатов, формулировании основных научных положений и выводов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России и 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и 6 приложений. Работа изложена на 199 страницах машинописного текста, содержит 45 таблиц и 39 рисунков. Библиография включает 131 наименование.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, кандидату технических наук, доценту В.Б. Кускову; сотрудникам кафедр «Обогащение полезных ископаемых» и «Строительство горных предприятий и подземных сооружений» Горного университета за ценные советы, содействие в проведении экспериментальных исследований и поддержку на различных этапах выполнения диссертационной работы.
Краткий обзор развития брикетирования железных руд
Как указывалось выше, к железорудному сырью предъявляются также требования по крупности, от которой зависит газопроницаемость столба материалов и развитие восстановительных процессов в металлургической печи. Размер кусков железорудного материала должен быть оптимальным, так как при использовании чрезмерно крупного сырья обеспечивается достаточно хорошая газопроницаемость слоя шихты, но значительно ухудшается протекание восстановительных процессов. И, наоборот, мелкий рудный материал, имея развитую реакционную поверхность и хороший контакт с газом-восстановителем, ускоряет протекание восстановительных процессов, но при этом слой, составленный из мелких кусков, оказывает большое сопротивление движущемуся газовому потоку, что отражается на снижении производительности печи.
Для непосредственного использования в доменном процессе магнетитовые руды должны быть крупностью от 5 до 50 мм, гематитовые - от 5 до 80 мм, бурожелезняковые - от 5 до 150 мм. Так как наличие в шихте мелкого материала (менее 5 мм) резко ухудшает газопроницаемость столба шихты в доменной печи, снижает ее производительность и вызывает большие потери материала с пылевыносом, то количество фракции -5+0 мм не должно превышать 20 % [1,21].
Кроме того, рудные минералы должны иметь высокую удельную поверхность и низкую влажность. В зависимости от химического состава руды применяются для выплавки чугуна в естественном виде или после обогащения. Железные руды с некондиционным содержанием железа обогащаются, главным образом, магнитной сепарацией или гравитационными методами.
Рыхлые порошкообразные богатые руды, а также полученные в результате обогащения тонкоизмельченные концентраты для дальнейшего металлургического использования подвергаются окускованию одним из известных способов.
К качеству окускованного железорудного сырья помимо химического и гранулометрического состава предъявляются требования по физико-механическим (прочность на сжатие, истирание, сбрасывание, пористость) и металлургическим свойствам (восстановимость, размягчаемость). Для использования в домне оптимальный размер агломерата должен быть не более 40 мм, окатышей - от 9 до 16 мм, железорудных брикетов - до 28-50 мм [21-28].
Для использования в процессах прямого восстановления (например, «MIDREX» или «HIL») к железорудному сырью предъявляются более жесткие требования, как по химическому, так и гранулометрическому составу.
Так, например, для процесса «MIDREX» в исходном железорудном сырье содержание железа должно быть не менее 67 %, серы - не более 0,008 %, фосфора - не более 0,03 %, количество фракции -5 мм не должно превышать 5 % [28-34].
Для эффективного металлургического передела необходимо железорудное сырье высокого качества с определенным химическим и гранулометрическим составом. Для этого, как было отмечено выше, железные руды с низким содержанием железа подвергаются обогащению, а полученные тонкоизмельченные концентраты - окускованию. Богатые, но полидисперсные и рыхлые железные руды могут быть использованы для металлургической переработки без обогащения, но после предварительного окускования. Окускование - это процесс получения из мелких железорудных материалов (руд, концентратов, колошниковой пыли) кускового материала, обладающего заданными свойствами, составом, размером и формой.
Окускование является одной из актуальнейших задач в подготовке рудной мелочи и концентратов к металлургическому переделу. Известны три основных способа окускования: агломерация, окомкование (грануляция, окатывание) и брикетирование [22,23,26,35].
Агломерация - процесс получения кусков (агломерата) методом спекания мелкой руды или концентрата при высокой температуре горения добавляемого в агломерируемую шихту топлива.
Данный процесс заключается в том, что мелкие зерна шихты нагреваются до температуры, при которой происходит их размягчение и частичное плавление. При этом зерна слипаются, а последующее быстрое охлаждение приводит к их кристаллизации и образованию пористого кускового продукта, пригодного для металлургического передела. При этом происходит частичное удаление вредных примесей (серы, мышьяка) [3,36-39].
Аглошихта имеет следующий состав: железорудный концентрат или мелкая железная руда крупностью -8+0 мм (40-50 %), возврат - мелкий некондиционный агломерат от предыдущего спекания крупностью -10+0 мм (20-30 %), коксовая мелочь крупностью -3+0 мм (4-6 %), известняк крупностью -3+0 мм (15-20 %) и влага (6-9 %). Также иногда в аглошихту могут быть добавлены колошниковая пыль или прокатная окалина [7,23,27,39].
Агломерационный процесс может осуществляться просасыванием воздуха через шихту (сверху) или дутьем воздуха через шихту (снизу). Для агломерации используются различные виды оборудования: прямолинейные ленточные агломерационные машины, вращающиеся печи (барабаны), шахтные печи, печи для агломерации во взвешенном состоянии, спекательные стационарные или переносные чаши и котлы [1,2,11,37-39].
Наиболее распространена в металлургической промышленности непрерывная агломерация с просасыванием на прямолинейных агломерационных машинах. Устройство машины и схема процесса представлена на рисунке 1.5 и рисунке 1.6 соответственно.
Определение гранулометрического состава мартитовой и гидрогематитовой руды
Отбор и подготовка проб богатых железных руд для проведения химического анализа производилась согласно ГОСТ 15054-80 [94].
Анализ химического состава образцов мартитовой и гидрогематитовой руды проводился химическим и физико-химическим методами в соответствие с ГОСТ. При этом определялось содержание общего железа, оксидов кальция и магния, алюминия, марганца, карбонатов и силикатов [100].
В качестве физико-химического метода был использован рентгенофлуоресцентный анализ (РФА), в основе которого лежит реакция внутреннего фотоэффекта, позволяющая однозначно идентифицировать элементы-излучатели по положению характеристических линий флуоресценции во вторичном рентгеновском спектре. Для проведения анализа была использована установка «Quanta 200», совмещающая в одном приборе сканирующий электронный микроскоп с термоэмиссионным катодом и систему энергодисперсионного микроанализа (EDS). Сечение сканирующего потока электронов варьировалось от 1 до 50 мкм с ускоряющим напряжением 20 кВ при давлении 10"6 торр. Расчет содержания обнаруженных элементов проведен методом фундаментальных параметров с а-коррекцией. Погрешность метода составляет не более 1 % от рассчитываемой концентрации. Рентгеновские характеристические спектры образцов мартитовой и гидрогематитовой руды приведены на рисунках 2.4 и 2.5. Результаты анализа приведены в таблице 2.4. Ca 00 Рисунок 2.4 - Рентгеновские характеристические спектры образцов мартитовой руды
Как видно из таблицы, изучаемые железные руды отличаются высокой чистотой в отношении вредных примесей (серы, фосфора, кремнезема).
Также были проведены аналитические исследования проб мартитовой и гидрогематитовой руды для различных классов крупности. При этом, особый интерес представлял один из основных показателей качества железорудного сырья - содержание железа общего.
Полученные данные представлены в таблице 2.6. Среднее содержание железа в мартитовой руде не менее 64 %, в гидрогематитовой - не менее 58 %.
Итого 64,53 58,20 Исходя из приведенных данных, напрашивается вывод, что железо в рассматриваемых типах руд распределено крайне неравномерно: его содержание с увеличением крупности руды возрастает, а дополнительно определенное суммарное содержание легких элементов (Mg, Al, Si, Са), наоборот, снижается [98,99].
Для этого сначала взвешивался пустой пикнометр, а затем с насыпанной в него до 1/3 объема навеской руды, после чего в него доливалась дистиллированная вода до 1/2 объема. Пикнометр с содержимым подвергался кипячению в течение 2-3 минут для удаления с поверхности частичек руды адсорбированного воздуха. В остывший после кипячения пикнометр доливалась до метки дистиллированная вода, после чего он снова взвешивался. После третьего взвешивания пикнометр освобождался от содержимого, ополаскивался, наполнялся до метки дистиллированной водой и взвешивался. Все взвешивания производились на технических весах с точностью до 0,1 г. Полученные данные заносились в таблицу, а плотность руды определялась как отношение массы частичек руды к их объему по формуле:
Плотность «синьки» и «краски» определялась для навесок класса -5+0 мм и истертого на лабораторном виброистирателе до порошкообразного состояния класса -5+0 мм.
Полученные данные по определению плотности мартитовой и гидрогематитовой руды представлены в табл. 2.7 - 2.10. Таблица 2.7 - Определение плотности мартитовой руды класса -5+0 мм пикнометрическим способом № про бы Масса пустого пикнометра, Аьг Масса пикнометра с рудой, А2,г Массапикнометрас рудой иводой пометку, Аз, г Масса пикнометра с водой,А4,Г Массанавескируды, А2-Аьг Плотностьисх. руды,г/см3 Средняяплотностьисх. руды,г/см3 №пробы Масса пустого пикнометра, Аь г Масса пикнометра с рудой, А2, г Масса пикнометрас рудой и водойпо метку, Аз, г Масса пикнометра с водой,А г Массанавески руды,А2-Аь г Плотность исх. РУДЫ, г/см3
С целью обоснования способа окускования полидисперсных железных руд были рассчитаны примерные расходы энергоресурсов по основным операциям и сырья для трех возможных технологий (таблица 2.11). Сравнительная оценка основных затрат на окускование мартито-гидрогематитовых руд различными способами при производительности 300 тыс. т окускованного продукта в год приведена в таблице 2.12.
Исследование влияния различных видов связующих и их расхода на прочность получаемых железорудных брикетов
Таким образом, сушку железорудных брикетов, полученных с использованием вышерассмотренных связующих веществ, целесообразно проводить при средних температурах (ниже 105С и выше 18±2С).
Еще одним из важнейших параметров брикетирования, влияющих на физико-механические свойства железорудных брикетов, является содержание влаги в исходной шихте. При ее избытке ухудшается формуемость смеси, брикеты получаются мягкими и малопрочными. Недостаток влаги также отрицательно сказывается на прочностных свойствах получаемых брикетов. Это объясняется тем, что в данном случае не происходит равномерного перемешивания компонентов шихты и затрудняется образование структурных связей в брикете. Опытным путем было установлено, что для получения брикетов с повышенной прочностью, влажность шихты должна быть не менее 8 % и не более 12% [109,110].
Данный вид исследований проводился на брикетах, полученных с использованием бентонита. Выбор именно данного связующего неслучаен.
Бентонитовая глина (бентонит) - это тонкодисперсная глина, состоящая не менее чем на 60-70% из минералов группы монтмориллонита, обладающая высокой связующей способностью, адсорбционной и каталитической активностью.
В опытах изучалось, как влияют на прочность получаемых железорудных брикетов добавляемые с 2 % бентонита в шихту активизирующие добавки -энзим и водный раствор хлорида железа.
Исходная мартитовая и гидрогематитовая руда класса -5+0 мм смешивалась в соотношении 85/15. Затем добавлялось 2 % бентонита и полученная смесь тщательно перемешивалась всухую. После этого в шихту в первой серии опытов добавлялась вода, во второй - энзим (из расчета 2 мл на 1 л воды), в третьей -1 %-ный раствор хлорида железа с энзимом. Готовую шихту прессовали при различных давлениях: 20, 40, 60 и 80 МПа. Для сушки сырых брикетов была подобрана средняя температура t=35±5C. После этого проводились испытания на одноосное сжатие. По полученным данным был рассчитан средний предел прочности для каждого случая и построены графики, представленные на рисунке 3.14.
Из приведенных графических зависимостей видно, что при добавке активизирующих добавок прочность получаемых брикетов увеличивается и максимальна при внесении в брикетируемую шихту и энзима, и водного раствора хлорида железа.
Это объясняется тем, что водный раствор хлорида железа обладает низкой коагулирующей способностью, что способствует равномерному перемешиванию компонентов смеси и повышению прочности брикетов. 20 40 60 80 100
Влияние активизирующих добавок на прочность железорудных брикетов (при использовании 2 % бентонита) Его использование обеспечивает формирование дополнительных структурных связей в брикете и позволяет компенсировать потери железа, возникающие в результате добавления к руде глины.
Добавка энзима к водному раствору хлорида железа определенным образом структурирует воду и обеспечивает хорошую уплотняемость смеси при прессовании. Сорбция энзимов на тонкодисперсных частицах руды и глины создает условия для формирования дополнительных структурных связей [113].
Необходимо также отметить, что введение в шихту вместе с бентонитом указанных выше добавок, позволяет получать высокопрочные брикеты при их сушке в естественных условиях или незначительном нагреве, что немаловажно с точки зрения энергозатрат.
Как известно, основным назначением железорудных брикетов является использование их в составе шихты для выплавки чугуна или стали. При этом, попадая в металлургическую печь, они подвергаются высокотемпературному воздействию (более 1000С). Для того, чтобы знать, как отразится это на прочности железорудных брикетов, был произведен их обжиг.
Брикеты изготавливались из 85 % мартитовой и 15 % гидрогематитовой руды крупностью не более 5 мм. В качестве связующих веществ были использованы 2,5 %-ный раствор КМЦ и бентонит с активизирующими добавками. Давление прессование в опытах составляло 20 МПа, 40 МПа и 80 МПа. Сырые брикеты подвергались сушке в течение 4,5 часов при t=105±5C. Затем в течение одного часа проводился обжиг брикетов при температуре порядка 1250С. После остывания обожженные брикеты испытывались на одноосное сжатие.
Рассчитанные средние пределы прочности обожженных брикетов на одноосное сжатие сравнивались со значениями пределов прочности брикетов, не подвергавшихся обжигу. Результаты экспериментов приведены в таблице 3.6. Таблица 3.6 - Влияние обжига на прочностные свойства железорудных брикетов
Это, возможно, объясняется тем, что при обжиге брикетов из рыхлых мартито-гидрогематитовых руд происходит твердофазное спекание рудных частиц и частичное образование шлаковых связок.
Таким образом, после обжига железорудные брикеты становятся более устойчивыми к механическим воздействиям различного рода в процессе их транспортирования и перегрузки, а также к нагреву и восстановлению в металлургических печах.
Как было сказано выше, на брикетируемость того или иного материала, в данном случае рыхлой мартитовой и гидрогематитовой руды, будут влиять различные параметры: влажность, гранулометрический и минералогический состав брикетируемой шихты, величина прикладываемого усилия прессования и т.д.. Огромное влияние на прочность получаемых железорудных брикетов оказывает наличие или отсутствие в шихте связующих веществ. Как известно, добавка вяжущих не всегда желательна по ряду причин: она усложняет и удорожает технологический процесс производства брикетов, способствует внесению в брикет ненужных и вредных примесей, тем самым снижая содержание в нем железа и др.. Однако, в большинстве случаев, без использования связующих, невозможно получение прочного кускового продукта с необходимыми физико-механическими характеристиками. В связи с этим, с целью изучения брикетируемости мартитовой и гидрогематитовой руды без добавки вяжущих был проведен ряд экспериментов, выполненных по вышеописанной методике.
Исходная шихта для опытов включала 85 % «синьки» и 15 % «краски» крупностью -5+0 мм. Выбор именно таких пропорций двух типов богатых железных руд и их крупности является вполне обоснованным и объясняется результатами ранее проведенных исследований. В полученную сухую смесь добавляли необходимое количество воды и тщательно перемешивали. После этого увлажненную шихту подвергали прессованию. Полученные сырые брикеты сушили до убыли массы и потом испытывали на одноосное сжатие [110].
Анализируя полученные данные, необходимо отметить, что даже при более высоких давлениях прессования (80 МПа) прочность брикетов не достигает требуемых значений. Некоторая часть брикетов была испытана при еще большем давлении - около 100 МПа. Средний предел прочности на одноосное сжатие, также ниже требуемого (4,36 МПа). Значение фактической относительной погрешности Е во всех экспериментах не превышало 5 % : в первой серии -2,49 %, во второй - 2,08 %, в третьей - 3,58 %. Изучение дополнительных механических свойств брикетов, полученных без использования вяжущих, не дало положительных результатов: осыпаемость - 28,43 %, прочность на сбрасывание -29,47 %, прочность на истирание - 53,65 %, сопротивление истиранию - 37,38 %.
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о невысокой брикетируемости мартито-гидрогематитовых руд без использования связующих, что, следовательно, позволяет утверждать о невозможности применения такого способа брикетирования для получения качественной железорудной продукции в промышленном масштабе.
Определение механической прочности брикетов на истирание и сопротивления истиранию
Затем одна часть полученных экструдатов сушилась при t=18±2C, другая -при t=60±5C. Высушенные экструдаты были проверены на прочность в соответствии с ОСТ 301-03-01.8-92. Сначала из средней пробы были отобраны 40 штук целых экструдатов испытуемого продукта и штангенциркулем по ГОСТ 166 замерялся диаметр и длина каждого экструдата. Из полученных данных определялась средняя величина длины и диаметра экструдатов. Диаметр измерялся с погрешностью ±0,05 мм, длина - ± 0,5 мм.
Метод определения коэффициента прочности основан на поочередном раздавливании целых экструдатов испытуемого продукта в специальном приборе. Для проведения испытания использовался прибор ППК-1 с ножом, имеющим ширину лезвия 0,8 мм. Вес гири - 1,6 кг.
Перед испытанием проводилась подготовка прибора - установка нужной гири, установка нужной подставки для испытуемого продукта, регулировка подставки. После подготовки прибора к работе, экструдаты укладывались в канавки подставки, ставились под нож и сразу же включался мотор. Раздавив первый экструдат (каретка с указателем останавливается в момент раздавливания), останавливался мотор, записывалось показание а по шкале, перемещалась гиря в начальное положение, раздавливался следующий экструдат и т.д.. Одновременно на подставку можно укладывать не более 10 экструдатов. Всего для определения коэффициента прочности раздавливали не менее 40 экструдатов. Если при испытании экструдат раздавится сразу же, как только на него опущен нож прибора, то записывается минимальное показание шкалы (а тщ). Если экструдат не раздавится в результате перемещения гири до упора вправо, то записывается максимальное показание шкалы (a max).
Средней прочностью экструдатов называется среднее арифметическое из прочности всех 40 раздавленных экструдатов. При подсчете среднего значения прочности учитываются также все значения amjn и amax Средняя прочность экструдатов (Рср) вычислялась по формуле:
Минимальной прочностью экструдатов называется среднее арифметическое из значений прочностей четырех наименее прочных экструдатов из сорока, подвергнутых испытанию, максимальной прочностью - среднее арифметическое из прочностей четырех наиболее прочных экструдатов.
Если испытуемый продукт однороден по прочности, то минимальное и максимальное значение прочности близки к средней прочности.
По полученным данным была построена гистограмма (рисунок 4.10), отображающая зависимость прочности полученных экструдатов от крупности используемой шихты и от температуры сушки сырых экструдатов (при использовании в качестве связующего 2,5 %-ного раствора карбоксиметилцеллюлозы).
Из представленных данных видно, что при использовании матрицы с диаметром отверстий 6 мм наиболее прочный экструдированный продукт получается при использовании шихты минимальной крупности (-1+0 мм). Это объясняется тем, что чем меньше частички руды, тем более однородней и пластичней получается шихта. Однако, при оценке прочности экструдатов весьма важно учитывать соотношение размера частичек и диаметра матричного канала. Так, в данном случае для частиц крупностью 1 мм это отношение равно 0,166, 3 мм - 0,500, 5 мм - 0,833. Данные значения хорошо соотносятся со значениями, полученными при использовании частиц крупностью 5, 10 и 20 мм при производстве брикетов-цилиндров диаметром 28,3 мм и составляющими 0,176; 0,353 и 0,706 соответственно. Таким образом, и объясняется, что в данном случае экструдаты, полученные из класса -5+0 мм соответствуют по прочности брикетам из руды крупностью -20+0 мм, а экструдаты из класса -1+0 мм и -3+0 мм соответствуют брикетам из руды -10+0 мм и -5+0 мм.
При использовании в качестве связующего 2,5 %-ного раствора карбоксиметилцеллюлозы еще раз убеждаемся в том, как влияет температура сушки окускованного сырья на его механическую прочность. Предпочтительна низкая температура сушки t=18±2C. Однако при этом продолжительность сушки сырого продукта резко увеличивается, а следовательно требуются дополнительные помещения для хранения и упрочнения брикетов. Поэтому сушку целесообразно проводить при средней температуре 30-60С.
Необходимо также отметить, что все экструдаты, при использовании шихты различных классов крупности и различных температурах сушки, имеют достаточную для дальнейшей переработки механическую прочность на сжатие. Коэффициент прочности экструдатов во всех случаях не ниже 1,35 при минимально допустимом значении не менее 0,9-1,0.
Для подтверждения установленных зависимостей по влиянию крупности шихты и температуры сушки на прочность получаемых экструдатов были проведены сравнительные испытания экструдатов на прочность на приборе немецкой фирмы «Erweka» (рисунок 4.11)
В приборе модели ТВТ фирмы «Erweka» нагрузка передается на экструдат рычажно-весовым способом, обеспечивающим минимальную погрешность измерений. Прибор работает полуавтоматически. Испытуемый образец помещался на наковальню, регулируемую по высоте, и подводился к конусовидному поршню, который оказывал давление на экструдат до его разрушения. Величина давления, вызвавшая разрушение экструдата, фиксировалась на шкале прибора с делениями от 0 до 15 кг. Зная диаметр экструдата, вычислялся коэффициент прочности по приведенной ранее формуле. Экструдат, испытуемый на приборе фирмы «Erweka» показан на рисунке 4.12.
Прибор фирмы Рисунок 4.12- Испытание «Erweka» для испытаний экструдатов экструдата на прочность при на прочность при сжатии сжатии на приборе фирмы «Erweka» Для проведения испытаний отбиралось не менее 40 экструдатов примерно одинаковой длины для каждой серии. Для изготовления экструдатов использовалась шихта крупностью -1+0 мм, -3+0 мм и -5+0 мм. В качестве связующего также использовался 2,5 %-ный раствор карбоксиметилцеллюлозы. Сушка сырого продукта осуществлялась при подобранных ранее температурах.
