Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния теории и технологий обога щения сталеплавильных шлаков 9
1.1. Способы переработки сталеплавильных шлаков 9
1.2. Анализ практики переработки сталеплавильных шлаков и исследовательских работ по совершенствованию технологий их обогащения 18
1.3. Переработка и использование сталеплавильных шлаков за рубежом 28
1.4. Постановка задач исследований 31
2. Методики экспериментальных и теоретических исследований 33
3. Исследование состава, свойств и обогатимости сталеплавиль ных шлаков 41
3.1. Макроскопическое изучение шлаков 43
3.2. Исследование фазового состава шлаков 45
3.3. Изучение структурно-текстурных особенностей шлаков 60
3.4. Исследование дробимости и измельчаемости шлаков 62
3.5. Исследование шлаков на обогатимость 66
4. Исследование закономерностей сухой магнитной сепарации мелких классов крупности сталеплавильных шлаков 73
4.1. Обоснование способа обогащения мелких классов крупности сталеплавильных шлаков 73
4.2. Аналитическое исследование закономерностей прямолинейного перемещения тела в магнитном поле с изменяющейся и постепенно убывающей максимальной напряженностью поля 80
4.3. Динамика перемещения частиц шлаков при магнитной сепарации во взвешенном состоянии 83
4.4. Влияние конструктивных параметров установки на показатели сепарации мелких шлаков 88
4.5. Исследование влияния свойств шлаков на процесс магнитной сепарации их во взвешенном состоянии 92
5 Разработка, промышленные испытания и освоение технологии обогащения шлаков 105
5.1 Оптимизация процесса сухой магнитной сепарации исходного шлака .77. 105
5.2 Разработка технологии обогащения немагнитной фракции крупностью 10-0мм 108
5.3 Разработка технологии обогащения немагнитной фракции крупностью 50-0 мм 113
5.4. Промышленные испытания и освоение технологии сухой магнитной сепарации немагнитной фракции крупностью 50-0мм 118
Заключение 126
- Анализ практики переработки сталеплавильных шлаков и исследовательских работ по совершенствованию технологий их обогащения
- Исследование фазового состава шлаков
- Аналитическое исследование закономерностей прямолинейного перемещения тела в магнитном поле с изменяющейся и постепенно убывающей максимальной напряженностью поля
- Разработка технологии обогащения немагнитной фракции крупностью 10-0мм
Введение к работе
Обеспечение комплексного и рационального использования минерального сырья на всех стадиях добычи и переработки - это одна из важнейших экономических и социальных задач. Разработка высокоэффективных ресурсосберегающих технологий предусматривает не только экономически оправданную полноту извлечения основных и сопутствующих элементов, но и утилизацию отходов при добыче и обогащении полезных ископаемых, а также переработку и комплексное использование техногенного сырья - шлаков металлургического производства.
Шлаки - основной попутный продукт при производстве черных металлов, они составляют 70 - 85 % от всех отходов выплавки чугуна и стали. Шлаки содержат до 23 - 25 % железа, в том числе до 10 - 16 % металлического в виде корольков и скрапа, что затрудняет дробление и измельчение их в процессе переработки. Переработка сталеплавильных шлаков является обязательным элементом безотходной технологии, так как позволяет получать железосодержащее сырье для металлургического производства и сократить потребление железорудного сырья, а также исключить многочисленные шлаковые отвалы и связанные с этим отчуждение сельскохозяйственных угодий, образование пыли, загрязнение водного и воздушного бассейнов.
Основными путями утилизации сталеплавильных шлаков являются извлечение металла и использование его в агломерационном и доменном производствах, получение щебня для дорожного и промышленного строительства, использование в производстве удобрений для сельского хозяйства и различных изделий, например, каменного литья.
Высокоэффективная переработка сталеплавильных шлаков имеет исключительно важное значение для ОАО «ММК», что объясняется, в первую очередь, тем, что доля собственного железосодержащего сырья не превышает 10 -12 %. Это предопределяет зависимость комбината от ситуации на основном поставщике сырья - ССГПО и транспортных тарифов, что затрудняет работу и
5 снижает конкурентоспособность комбината. Для.решения проблемы обеспечения комбината железосодержащим сырьем наряду с развитием местной железорудной базы важное значение имеет и разработка техногенных месторождений, в частности, шлаков. С учетом значительных объемов отвальных мартеновских шлаков (48 млн. тонн), текущих конвертерных (около 1,5 млн. тонн в год) и достаточно высокой массовой доли в них железа (до 22 — 24 %) шлаки являются важным источником для увеличения доли собственного железосодержащего сырья. Аналогичные проблемы по использованию техногенного сырья - шлаков металлургических производств стоят и перед другими металлургическими предприятиями страны. При этом необходимо отметить, что основная часть шлаков (до 55 - 65 %) представлена классами крупности менее 15 (10) мм, которые по используемым технологиям с применением сухой магнитной сепарации обогащается крайне не эффективно. Так, извлечение железа в магнитные фракции на ОАО «ММК» составляет всего лишь 33,6 %. Поэтому разработка высокоэффективных технологий переработки и комплексного использования сталеплавильных шлаков является весьма актуальной научной задачей.
Объектом исследования является технология переработки сталеплавильных шлаков, а закономерности сухой магнитной сепарации составляют предмет исследования.
Целью диссертационной работы является установление закономерностей сухой магнитной сепарации сталеплавильных шлаков с учетом особенностей их состава и свойств для разработки технологии, обеспечивающей повышение качества магнитных продуктов и увеличения извлечения в них железа.
Идея работы заключается в использовании закономерностей поведения частиц при магнитной сепарации во взвешенном состоянии для научно-обоснованного выбора технологии и определения оптимальных условий сухой магнитной сепарации сталеплавильных шлаков.
Основные задачи исследования: 1. Исследование состава, свойств и обогатимости сталеплавильных шлаков.
Исследование закономерностей сухой магнитной сепарации сталеплавильных шлаков.
Разработка высокоэффективной технологии обогащения мелких классов крупности сталеплавильных шлаков.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использован комплекс физических, химических и физико-химических методов исследования: термография в дифференциально-термическом, дифференциально-термогравиметрическом и термогравиметрическом вариантах; РПС-спектроскопия; петрографический анализ с использованием системы SIAMS 600 с микроскопом МЕТАМ-ЛВ-31; пондеромоторный метод определения удельной магнитной восприимчивости; магнитный, химический и гранулометрический методы анализа; методы определения дробимости и измельчаемости руд; аналитический метод изучения процесса сухой магнитной сепарации, методы математической статистики и анализа.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Высокоэффективная сухая магнитная сепарация мелкого материала происходит при разделении его во взвешенном состоянии, реализуемом при извлечении магнитных частиц из слоя материала, перемещающегося в электромагнитном поле с резко изменяющейся и убывающей максимальной напряженностью, что обеспечивает неоднократный подъем частиц с различным ускорением и отрыв их от магнитной системы, относительное перемещение и соударение, в результате чего из магнитного продукта выпадают механически увлеченные частицы, осуществляется очистка извлекаемых частиц от налипших мелких и происходит неоднократная перечистка магнитного продукта.
Зависимости, описывающие процесс сухой магнитной сепарации во взвешенном состоянии: удельную магнитную силу, необходимую для подъема частиц; допустимую скорость перемещения материала в электромагнитном поле и время подъема частиц к магнитной системе, которые являются функциями не только свойств обогащаемого материала и характеристики
7 магнитной системы, но и конструктивных параметров установки.
3. Максимальный размер частиц dmax, налипающих на извлекаемые магнитные,
зависит, в основном, от соотношения величин капиллярных сил и силы
инерции и определяется по формуле
А -ЗО
'l + COS(p 1 "і
+ 2sin(p ,
(fM-g)5^1-cos9 БІпф
где ст - поверхностное натяжение, Н/м;
Ф - радиальный угол трехфазного периметра смачивания, град; fM - удельная магнитная сила, действующая на частицу, м/с ; g - ускорение свободного падения, м/с .
4. Подъем частиц с различным ускорением, их относительное перемещение и соударения обусловлены изменяющейся разницей величин удельных магнитных сил, действующих на частицы и необходимых для их извлечения. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются удовлетворительной сходимостью результатов теоретического анализа и аналитического исследования с результатами экспериментальных исследований и промышленных испытаний, а также показателями, полученными при использовании разработанных технологий на ОАО «ММК».
Научная новизна работы заключается в следующем:
Теоретически обоснована и экспериментально апробирована сухая магнитная сепарация во взвешенном состоянии, обеспечивающая высокую эффективность обогащения мелкого материала (Св. на полезную модель № 26450, РФ, МІЖ 7 ВОЗС V16, Vi8. Устройство для извлечения магнитных частиц из сыпучего материала / В.Б. Чижевский, Р.С. Тахаутдинов, И.П. Захаров (РФ). - № 2002111712/20; Заявл. 29.04.2002. // БИПМ. - 2002. - № 34. -С.390).
В электромагнитном поле с изменяющейся и убывающей максимальной на-
8 пряженностью поля имеются зоны притягивания и отрыва извлекаемых частиц, обусловленные разницей величин удельных магнитных сил, действующих на частицы и необходимых для их извлечения, что обеспечивает высокую избирательность процесса сепарации во взвешенном состоянии.
Мелкие частицы, закрепившиеся за счет капиллярных сил на поверхности извлекаемых магнитных частиц, выделяютсяГиз магнитного продукта в результате механического воздействия других частиц, перемещающихся в электромагнитном поле с различным ускорением.
Основная часть налипших мелких и механически увлеченных частиц выделяются в процессе сепарации во взвешенном состоянии из магнитного продукта при первом притягивании и отрыве его от магнитной системы.
Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, состоял в формировании основной идеи, постановке задач, разработке методик исследования, организации и непосредственном участии в выполнении исследований и испытаний, анализе полученных данных и разработке рекомендаций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 105 наименований и содержит 143 страницы машинописного текста, 31 рисунок, 32 таблицы и 4 приложения.
Анализ практики переработки сталеплавильных шлаков и исследовательских работ по совершенствованию технологий их обогащения
В СНГ запасы шлаков, накопленные за годы работы металлургических предприятий, превышают 500 млн. тонн [37]. Они занимают огромные площади и являются источниками загрязнения водного и воздушного бассейнов. Проблема переработки отвальных шлаков и извлечения из них металлических компонентов с комплексным использованием отходов производства является одной из актуальных задач. Эта проблема имеет несколько аспектов. Во-первых, металл, извлеченный из шлаков, как правило, дешевле металла, полученного в результате переработки руды. Во-вторых, отходы переработки шлаков могут использоваться для различных целей и, в-третьих, переработка шлаковых отвалов позволит освободить территорию. Переработка отвальных шлаков, содержащих вольфрам, молибден, никель, хром и железо, включающая последовательные операции дробления, измельчения, спекание с содой, автоклавное выщелачивание и фильтрацию, помимо механического воздействия на шлаковый материал предусматривает также тепловое и химическое воздействия, что усложняет технологию извлечения полезных материалов. Обычный состав и структура шлаков и имеющийся опыт их переработки позволяют считать, что достаточно высокая степень извлечения металлов может быть получена в результате применения исключительно механической переработки, так как значительная часть металла находится в виде корольков, то есть частиц металла, заключенных в оболочку металлического материала.
Анализ состояния и основные направления переработки сталеплавильных шлаков даны в работах [4, 38, 39], при этом указаны предприятия, перешедшие на полную переработку шлаков, приведены технологии и показатели обогащения. Кроме этого в указанных работах представлен краткий анализ первичной переработки расплавленных и твердых шлаков, рассмотрены действующие установки по получению стандартной шлаковой продукции из текущих и отвальных шлаков, отмечены наиболее перспективные способы переработки и основные направления использования продукции в различных отраслях промышленности. На заводе «Электросталь», где запас шлаков составляет около 1 млн. тонн, разработана технология их переработки, обеспечивающая степень извлечения металлов до 90 — 95 % при одновременном увеличении утилизационной пригодности неметаллической части шлаков [37, 40, 41]. Со шлакового отвала шлак транспортируют на загрузочную площадку, где проводят выборку крупного металлического скрапа. Затем экскаватором шлак перемещают в загрузочную воронку вибропитателя, где выделяют фракции 30-0 и 500 — 0 мм. Последняя фракция поступает в щековую дробилку, где подвергается первичному дроблению до крупности 150 — 0 мм, и далее по конвейеру на пост сортировки, а затем - во вторую щековую дробилку. В ней шлак дробится до крупности 60-0 мм и по конвейеру через второй пост выборки скрапа поступает в конусную дробилку. После дробления шлак рассеивается на четыре фракции: 5-0, 10-5, 28-10и более 28 мм. Из фракции + 28 мм проводят выборку скрапа на третьем посту сортировки. Оставшийся после такой выборки шлак и шлак фракции 28-10 мм вновь возвращают в конусную дробилку. Окончательным продуктом дробления является шлак фракций 5-0и 10 — 5 мм, побочным - металлический скрап, полученный с постов сортировки. Шлак фракций 5-0и 10-0 мм подвергается гравитационной и магнитной сепарациям для выделения оставшегося металла. Этот металл и ранее выбранный металлический скрап направляют в сталеплавильный цех. Отходы производства используются для прессования дорожно-строительных элементов или дорожных плит.
Приведенные данные показывают, что технология переработки шлаков на заводе «Электросталь» достаточно развитая, что и обеспечивает высокое извлечение металлов. Однако наличие трех приемов дробления шлаков в щековых и конусных дробилках делает технологию ненадежной в работе. Вопросу переработки и утилизации шлаков на АО «Северсталь» посвящены работы [9, 42, 43]. В работах отмечается, что ежегодный выпуск шлаков составляет 1,6 млн. тонн, в том числе мартеновских — 420 тыс. тонн, электросталеплавильных - 80 тыс. тонн и конвертерных - 1100 тыс. тонн. Многие годы из сталеплавильных шлаков получали нефракционированный щебень для дорожного строительства и отбирали крупногабаритный лом, который возвращался в производство. Большая часть шлака не находила сбыта и складировалась. В 1994 году пустили дробильно-сортировочную установку (ДСУ-1), на которой стали перерабатывать ежегодно 600 тыс. тонн наиболее ценного для металлургического производства конвертерного шлака. Получаемая продукция - фракционированный шлак полностью используется при производстве агломерата (фракция 10 — 0 мм) и для выплавки чугуна в доменных печах (фракция 100-10 мм). Лом в количестве 40 тыс. тонн в год используется в сталеплавильном производстве. Технология переработки включает отбор кусков шлака и лома размером более 400 мм и складирование их отдельно с последующим выделением крупногабаритного лома и разбиванием крупных кусков шлака. Из приемного бункера шлак поступает на пластинчатый питатель, из которого ленточными ме-таллоотделителями извлекается лом, а шлак после грохочения по размеру 60 мм додрабливается до 100-0 мм и разделяется на фракции 10 — Ои 100— 10 мм [42]. Поскольку конвертерный шлак содержит 20 - 22 % железа и имеет высокую основность, равную 3,4, то фракция 10-0 мм используется в качестве железосодержащей флюсующей добавки, заменяя часть известняка в агломерационном производстве.
Применение конвертерного шлака для выплавки чугуна позволило снизить расход известняка на агломерацию и повысить в агломерате массовую долю железа. Кроме этого снизился расход агломерата, поскольку утилизируется железо, содержащееся в конвертерном шлаке. В 1995 году на заводе была пущена в эксплуатацию ДСУ-2, которая была размещена на площадке складирования мартеновских, электросталеплавильных и конвертерных шлаков, прошедших стадию стабилизации структуры на открытом складе не менее одного года. Из исходного шлака на колосниковом грохоте выделяется класс крупнее 250 мм, который вывозится на открытую площадку для выделения крупного лома и дробления навесным молотом оставшихся крупных кусков. Шлак крупностью менее 250 мм поступает для разделения на барабанный и ленточный металлоотделители. Конечными продуктами переработки являются щебень фракций 10-0, 40 - 10 и 12-40 мм, а также лом для агломерационного (10-0 мм) и доменного (50 - 10 мм) производств. Лом крупностью 250-50 мм используется для сталеплавильного производства. На Нижнетагильском металлургическом комбинате для переработки отвальных шлаков и максимального извлечения металла создано два участка экскаваторного извлечения крупного металла и дробильно-сортировочная установка [44]. На дробильно-сортировочной установке производится щебень крупностью 10 - 0, 20 - 10, 40 - 20, 70 - 40 и 300 - 70 мм. Перед сортировкой из шлака с помощью барабанного магнитного сепаратора извлекался металл. Практика эксплуатации установки показала, что качество магнитных фракций зависит не только от качества перерабатываемого шлака и параметров магнитной сепарации, но и от погодных условий и, в частности, от влажности. Шлак после магнитной сепарации имеет массовую долю железа до 20 %, что свидетельствует о недостаточно полном его извлечении. Рекомендуется использовать новые технологии и более современное оборудование.
Исследование фазового состава шлаков
Для исследования фазового состава и особенностей минеральных фаз мартеновских и конвертерных шлаков использовался петрографический метод с применением микроскопов, а также ИК-спектроскопия и термография в дифференциально-термическом, дифференциально-термогравиметрическом и термогравиметрическом вариантах. Мартеновские шлаки Исследуемые мартеновские шлаки характеризуются очень сложным фазовым составом и петрографические особенности этих шлаков выражаются в следующем: 1. Исследуемые шлаки, в основном, представлены оксидной фазой, шпинелидами, ферритной фазой и силикатами. 2. Среди силикатов преобладают ортосиликаты, метасиликаты и мета-силикатное стекло встречаются реже. Оксидная фаза имеет сложный состав с преобладанием RO-фазы. Состоит RO-фаза, в основном, из вюстита - FeO с небольшим количеством МпО, то есть состав RO-фазы выражается чаще формулой (Fe, Мп)0 и реже более сложным составом — (Fe, Мп, Mg, Са)0. Кристаллизуется вюстит в виде каплевидных и овальной форм и реже в виде причудливых дендритов (рис. 1). Окраска их черная, бурая и темно-бурая. Шпинелиды образуют изометричные зерна, реже октаэдры и располагаются между зернами силикатов, чаще между ортосиликата-ми. Эта оксидная фаза — шпинелиды представляет собой твердый раствор гер-цинита и магнетита — FeAl204-Fe304. Ферритная фаза раскристаллизована слабо и представлена однокальциевым ферритом - СаО-РегОз и двукальциевым ферритом - 2CaO-Fe203. Оптические свойства их обычные. Показатель преломления колеблется в пределах 1,632 ч-1,653.
Ортосиликаты в пробах шлака являются ведущей минеральной фазой, количество которых в разных шлифах разное. Ортосиликаты имеют непостоянный состав. Это видно даже в пределах одного шлифа. Они представлены разными минеральными разновидностями. Чаще других встречается двукальцие-вый силикат — 2CaO-Si02 - ларнит (рис. 2), реже — минералы группы оливина, содержащие двукальциевый силикат. Более равновесной и преобладающей фазой является железо-магнезиальный монтичеллит - 2(СаО, MnO, MgO, FeO)xSi02, который может переходить в минерал, представляющий собой твердый раствор — 2CaOSiC 2 - 3CaOMgO2Si02 — кальциево-магнезиальный силикат. В шлифе он бесцветен, пластинчатой досковидной формы (рис. 3, 4), преломление nq = 1,726; nm = 1,713. В отдельных шлифах выделяются некоторые разновидности ортосиликатов: 1. Двукальциевыи силикат - Ca2Si04 — бредигит, содержащий в твердом растворе Fe2SiC 4 и Mg2Si04 — форстерит и оливин. Окраска бурая. Цвета интерференции от серых до ярких. Форма зерен в поперечном сечении — ромбы. Спайность по призме. Удлинение положительное. Встречаются зерна с двойниковым строением, с симметричным погасанием. Отмечаются зерна, похожие на двукальциевыи силикат, но трудноопределяемые по оптическим свойствам, так как это сложный, твердый раствор состава - 2CaO-Si02 - 2MgOSi02 -2Fe0-Si02 с преобладанием двукальциевого силиката. Такой сложный состав можно объяснить неоднородным секториальным погасанием минерала в отдельных поперечных сечениях. 2. Железо-магнезиальный монтичеллит - 2(СаО, MnO, FeO, MgO)-Si02. Окраска от бесцветной до бурой, реже желтая. Интерференция яркая. Поперечные сечения зерен — ромбы. Продольные сечения призмы, угасание прямое. Спайность параллельна главной оси. 3. Кальциево-магнезиальный силикат - 2 CaOSi02 - 3CaO-MgO-2Si02 -мервинит. Он наблюдается в виде агрегатов пластинчатых кристаллов с хорошо выраженным двойниковым строением. Бесцветен, удлинение отрицательное. Погасание 6-12. Спайность слабо выражена.
Метасиликаты располагаются в промежутках между ортосиликатами. Они раскристаллизованы слабо и встречаются не во всех шлифах. По составу метасиликаты представлены неравновесной фазой, образуя сложные твердые растворы - CaSi03 - MnSi03FeSi03 - MgSi03. По оптическим свойствам можно выделить несколько минералогических разновидностей: 1. Волластонит — CaSiCb, содержащий в растворе MnSiCb и FeSiCb- Цвет минерала бурый, иногда бесцветен, кристаллы короткостолбчатые (рис. 5). Спайность совершенная. Погасание 32 - 40. Удлинение положительное. 2. Клиноэнстатит — (Mg, Fe)SiC 3. Окраска бурая, реже - бесцветная. Форма зерен короткостолбчатая. Спайность совершенная. 3. Бустамит - Са3Мп3(8іОз)2 - Са3Рез(8іОз)2 содержит в твердом растворе CaSiCb и FeSiCb. Бесцветен. Спайность в трех направлениях. Интерференционная окраска серая. 4. Редко встречающиеся минералы. Редко встречающихся минералов в описываемых пробах не много. В процентном отношении они составляют не более 1-2 % от всей пробы, то есть являются как бы акцессорными включения ми в виде мелких зерен размером 0,01 — 0,1 мм. Такие единичные включения встречены только в основных шлаках, в кислых их не обнаружено. Эти вклю чения представлены сульфидами - пиритом FeS2 и реже сульфатом - ангидри том CaS04- Помимо этих включений чаще отмечается периклаз - MgO, в виде изъеденных шлаком зерен (рис. 6, 7) и минеральных агрегатов (рис. 8). Периклаз серовато-зеленый, желтый, бурый. Спайность зерен совершенная по кубу. Форма зерен изометричная. Часто они оплавлены шлаковым расплавом. Наряду с пе-риклазом отмечаются зерна магнезиовюстита - (Mg, Fe)0 (см. рис. 2). В отдельных пробах встречается известь - СаО в виде бесцветных зерен с ясно выраженной спайностью. Кристаллы кубической формы, изотропны. Ассимиляция извести шлаком выражается в образовании реакционных каемок. Проникновение окислов железа в пористую массу извести видно в виде светлой каймы по периферии частиц (рис. 9). Большинство из описываемых проб шлаков сильно железисты и пористы (рис. 10).
Аналитическое исследование закономерностей прямолинейного перемещения тела в магнитном поле с изменяющейся и постепенно убывающей максимальной напряженностью поля
Схема установки для магнитной сепарации во взвешенном состоянии и силы, действующие при этом, указаны на рис. 23. При прямолинейном горизонтальном перемещении ферромагнитного тела в магнитном поле со скоростью о на него действуют следующие силы, отнесенные к единице массы: - удельная магнитная сила fM, перпендикулярная горизонтальной плоскости, в которой перемещается тело; - удельная сила тяжести g, также перпендикулярная горизонтальной плоскости; - сила сопротивления воздуха перемещению тела к магнитной системе, имеющая незначительную величину, которой можно пренебречь; - сила трения тела о поверхность транспортирующей ленты, величину ко торой можно принять равной нулю, так как под влияние силы fM тело припод нимается, и трение его о поверхность ленты отсутствует. В реальных условиях на разделение частиц оказывает влияние трение частиц между собой. Для притягивания тела и извлечения его в магнитный продукт необходимо, чтобы за время пребывания тела в магнитном поле, равном времени перемещения тела со скоростью о на расстояние cosa, тело успело притянуться к магнитной системе. Для того, чтобы происходило перемещение тела по нормали к плоскости транспортирующей ленты необходимо, чтобы удельная магнитная сила fM была больше силы тяжести g. При этом разность между этими силами составляет нормальное к горизонтальной плоскости ускорение перемещения тела, так как масса его принята за единицу. При равномерно ускоренном подъеме тела с ускорением fM - g на высоту h+ sina потребуется время, тогда h + sina = (fM-g)iL. (15)
Для закрепления тела на магнитной системе необходимо, чтобы время t было меньше или, в крайнем случае равно времени нахождения тела t, в магнитном поле при перемещении его со скоростью и на расстояние cosa, тогда (16) Для определения удельной магнитной силы м, необходимой для подъема и закрепления тела, примем t, = t2. Из полученного равенства определим f , которая будет равна . = 2u2(h + lsina) (17) г cosz a В случае горизонтального расположения магнитной системы, т.е. при а = 0, эта формула преобразуется в формулу f =2ho2/- 2+g, приведенную в работах [92, 93]. При увеличении угла наклона магнитной системы а высота подъема тела h+ sina, необходимая для закрепления, увеличивается, а время нахождения тела в магнитном поле t2 уменьшается за счет сокращения пути его перемещения cosa. В результате удельная магнитная сила f , необходимая для извлечения тела, увеличится. Анализ формулы (17) показывает, что удельная магнитная сила f M, необходимая для извлечения тела, тратится на преодоление удельной силы тяжести g, а также на преодоление инерции движущегося тела и на сообщение ему ускорения в направлении действия магнитной силы. Зная параметры магнитного поля Н grad Н, а также удельную магнитную восприимчивость тела %т можно определить допустимую скорость передвижения его в магнитном поле ик из равенства тт 2o2(h + sina) /10Л HoXTHgradH = g+— - -. (18) cos а Тогда uK cosa/ ;HgradH:;g- (19) V 2(h + sina) Из выражения (15) можно определить время подъема тела к магнитной системе t,, которая составит _ /2(h + lsincc) (20) ]=І f„-g 4.3. Динамика перемещения частиц шлаков при магнитной сепарации во взвешенном состоянии Вышеустановленные закономерности перемещения частиц в магнитном поле с изменяющейся и постепенно убывающей максимальной напряженностью магнитного поля, обеспечивающей сепарацию во взвешенном состоянии, позволяют применительно к конкретным условиям изучить динамику перемещения частиц, определить возможность извлечения их в магнитный продукт.
Исследования перемещения частиц шлаков при магнитной сепарации проводились с использованием электромагнитной системы промышленного образца шириной 1,2 м и длиной 1,1м. Напряжение сети постоянного тока 220 В, потребляемая мощность обмоткой возбуждения 3,4 кВт. Скорость транспортирования исходного шлака 0,5 м/с, а магнитного продукта - 2,5 м/с. Высота подъема извлекаемых частиц в начале магнитной системы 0,1 м, угол подъема магнитной системы 10. Отбор проб шлаков, находящихся во взвешенном состоянии вдоль магнитной системы, производился пробоотборником, представляющим собой трубу диаметром 75 мм с открывающейся и закрывающейся щелью шириной 30 мм и длиной 1,2 м. Крупность шлаков составляла 10 — 0 мм. Для определения характеристики электромагнитного поля была замерена напряженность поля вдоль оси магнитной системы через 0,14 м, через такие же расстояния - по продольным линиям, смещенным от оси системы на 0,2, 0,4 и 0,6 м. Результаты замеров приведены в табл.10. Приведенные в табл. 10 данные показывают, что напряженность магнитного поля резко изменяется как по величине, так и по направлению. С учетом небольшого расстояния между точками, в которых замерялась напряженность, градиент напряженности значителен, что будет предопределять высокую вероятность извлечения ферромагнитных частиц. Величина удельной магнитной восприимчивости магнитного продукта сепарации составила 8,2 -10"4 м3/кг.
При магнитной проницаемости вакуума, равной 4тг-10" Гн/м, по формуле (13) рассчитана удельная магнитная сила fM, действующая на частицы, находящиеся на продольной оси магнитной системы через 0,14 м и на линиях, смещенных от нее на расстояния 0,2; 0,4 и 0,6 м. Для определения удельной магнитной силы f.M, необходимой для извлечения частицы, использовалась формула (17), так как магнитная система имеет угол подъема а, равный 10. Результаты определения величин удельной магнитной силы, действующей на частицы в различных точках магнитного поля и удельной магнитной силы, необходимой для извлечения частиц, приведены на рис. 24. Приведенные на рис. 24 данные показывают, что динамика перемещения частиц вдоль продольной оси электромагнитной системы и по продольным линиям, смещенным от нее, различна. В первом случае происходит трехкратное притягивание частиц и двукратный отрыв в пределах магнитной системы (кривая 2). На линии перемещения частицы, смещенной от оси на 0,2 м, происходит также трехкратное притягивание, но количество отрывов в пределах магнитной системы увеличивается до трех. При этом зона второго отрыва сокращается в три раза, а в конце магнитной системы происходит третий отрыв (кривая 3). При смещении линии перемещения частиц на 0,4 м от оси имеет место только два притягивания в коротких зонах (кривая 4). При перемещении частицы по краю магнитной системы (кривая 5) происходит только одно притягивание в короткой зоне. Длину зон, в которых происходит притяжение и отрыв частиц можно определить по точкам пересечения кривой (1) с кривыми (2, 3, 4 и 5). При этом в любой точке магнитного поля в первую очередь притягиваются наиболее сильномагнитные частицы и в последнюю наиболее слабомагнитные. При снижении напряженности магнитного поля в следующей точке отрываются в первую очередь наиболее слабомагнитные частицы. Таким образом, при отрыве частиц в каждой точке происходит процесс их подготовки для разделения в последующей точке -сверху располагаются наиболее сильномагнитные частицы и внизу наиболее слабомагнитные.
Разработка технологии обогащения немагнитной фракции крупностью 10-0мм
Вышеприведенный анализ практики переработки шлаков на ОАО «ММК» показал, что одной из причин низкого извлечения железа в магнитные продукты являются значительные потери железа с немагнитными продуктами крупностью 10 - 0 и 50 - 0 мм, которые составляют соответственно 9,4 и 15.1 %. Разработка технологий их обогащения является важным резервом по вышения полноты извлечения железа из шлаков [101]. Разработка технологии обогащения немагнитного продукта крупностью 10-0 мм проводилась на пробе, отобранной на шлаковой установке при переработке мартеновских и конвертерных шлаков в соотношении 1:1. Ситовый анализ немагнитного продукта, приведенный в табл. 24, показывает, что 77,8 % приходится на классы крупнее 1 мм. В этих же классах находится и более 80 % железа. Наиболее богатые классы крупности от 1 до 5 мм. Результаты магнитного анализа (см. табл. 24) свидетельствуют о том, что из каждого класса крупности извлекаются магнитные продукты с выходом от 3,9 до 25,2 % и с массовой долей железа от 32,2 до 49,0 %.
При этом с уменьшением крупности шлака массовая доля железа понижается и минимальная — 32.2 % имеет место в случае класса крупности 0,04 - 0 мм. Общий выход маг нитного продукта составляет 12,62 % при массовой доле в нем железа 41,2 %, что обеспечивает извлечение железа в магнитный продукт 32,19 %. При иссле довании процесса сухой магнитной сепарации немагнитного продукта 10-0 мм на сухом электромагнитном сепараторе изучались влияние напряженности магнитного поля, положения разделительного шибера и скорости вращения барабана. Во всех случаях массовая доля железа в магнитном продукте не превышала 31 - 32 % при извлечении железа 28 - 29 %. Это подтверждает данные практики о том, что сухая магнитная сепарация мелкого материала на барабанных и шкивных магнитных сепараторах протекает крайне неэффективно. Приведенные данные свидетельствуют о целесообразности до-обогащения немагнитного продукта крупностью 10 — 0 мм с применением сухой магнитной сепарации во взвешенном состоянии, которая обеспечивает высокую избирательность разделения частиц и высокую полноту извлечения магнитных частиц [102 - 104]. Анализ результатов магнитного анализа (см. табл. 24) показывает, что извлечение железа в магнитный продукт из каждого класса крупности резко отличается -от 13,18 % в случае класса крупности +10 мм, до 66,1 % для класса крупности 0,074 - 0,04 мм. При этом наиболее высокое извлечение — от 41,16 до 66,1 % получено для классов крупности шлака от 2,0 до 0,04 мм. Для классов крупности более 2,0 мм извлечение железа значительно ниже за счет наличия сростков, которые не извлекаются. Поэтому представляется интересным изучить влияние крупности измельченного исходного шлака на результаты обогащения. Эти результаты приведены в табл. 25. Приведенные в табл. 25 данные показывают, что уменьшение крупности шлаков с 3 - 0 мм до 1 — 0 мм вызывает значительное повышение массовой доли железа в первом магнитном продукте (с 30,74 до 35,23 %) и извлечения железа в него - с 17,87 до 23,41 %. Дальнейшее уменьшение крупности шлака до 0,5 мм обеспечивает еще большее повышение массовой доли железа — до 43,21 %, однако извлечение снижается до 21,85 %. Более тонкое измельчение шлаков - до 0,25 и 0,1 мм вызывает снижение и массовой доли железа в магнитных продуктах и извлечения в них железа.
Поэтому измельчать шлаки мельче 0,5 мм нецелесообразно и по технологическим показателям и по эксплуатационным затратам. Снижение технологических показателей при тонком измельчении является результатом образования в процессе измельчения большого количества вторичных тонких шламов, отрицательно влияющих на процесс мокрой магнитной сепарации. С немагнитным продуктом 50-0 мм, как отмечено выше, теряется 15,1 % железа при массовой доле железа 21 - 23 %. Ситовый состав продукта и результаты магнитного анализа приведены в табл.26, из которой видно, что основная его часть представлена классами крупности более 1 мм с массовой долей железа в них более 20 %. Выход классов крупности менее 1 мм составляет 18,2 % при массовой доле железа от 18,7 до 7,6 %. Результаты магнитного анализа свидетельствуют о том, что из каждого класса крупности извлекаются магнитные продукты с выходом от 9,9 до 25,9 % при массовой доле в них железа, кроме класса крупности 0,04 - 0 мм, от 32,8 до 65,1 %. Причем в мелких классах, менее 1 мм, она значительно ниже, а в случае класса крупности 0,04 - 0 мм составляет всего лишь 19,6 %. Приведенные результаты свидетельствуют о целесообразности дообогащения продукта, но для получения высоких показателей необходимо разделить его на более узкие классы крупности. С учетом специфики использования магнитных продуктов на ОАО «ММК» продукт крупностью 50-0 целесообразно разделить на два продукта крупностью 50-10и 10-0 мм. Исследования по обогащению класса крупности 50-10 мм на барабанном электромагнитном сепараторе показали, что эффективность его разделения достаточно высока.
При массовой доле железа в магнитном продукте 63 — 68 % извлечение железа в него составило 27,5 - 28,3 %. Показатели обогащения могут быть повышены, если класс додробить до 10-0 мм. Однако это потребует установки дробилок, которые работают на шлаках ненадежно. Для обогащения класса крупности 10-0 мм, на основе вышеприведенных исследований, целесообразно использовать сухую магнитную сепарацию во взвешенном состоянии. Таким образом, одним из вариантов переработки немагнитного продукта крупностью 50 - 0 мм схема, предусматривающая грохочение его на два класса крупности 50 -10и 10-0 мм с последующей сухой магнитной сепарацией класса 50-10 мм на барабанном сепараторе, а класса 10 — 0 мм — сепарацией во взвешенном состоянии. При установленных оптимальных условиях и массовой доле железа в исходном немагнитном продукте 50-0 мм 21,75 % получены магнитные продукты крупностью 50— 10и10-0 мм с выходом соответственно 4,72 и 11,13 %, массовой долей железа 66,14 и 55,13 % и извлечением железа 14,35 и 28,22 %. Другим вариантом схемы переработки продукта 50 — 0 мм может быть вариант, предусматривающий измельчение его с последующей мокрой магнитной сепарацией. Для выяснения перспективности этого варианта выполнен магнитный анализ продукта, измельченного до различной крупности (рис. 29).
