Подготовка рудных материалов

•Флотация. Под флотацией понимают метод обогащения, основанный на различии физико-химических свойств поверхностей различных минералов. Для обогащения руд применяют только пенную флотацию.

Она базируется на том, что  одни минералы (в тонкоизмельченном состоянии в водной среде) не смачиваются водой, прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются или, как говорят, всплывают и флотируют на поверхности подобно воздушному шару, образуя минерализованную пену. Это — гидрофобные тела. Другие минералы смачиваются водой, не прилипают к воздушному пузырьку и остаются в пульпе. Это — гидрофильные тела.

Для повышения эффективности  флотации используют флотационные реагенты трех видов: коллекторы, регуляторы и вспениватели. Коллекторы — это органические вещества, избирательно адсорбирующиеся на поверхности минерала и усиливающие их гидрофобные свойства; для разных минералов — это различные вещества. Регуляторы — это многочисленные реагенты, одни из которых (активаторы) активизируют флотацию минералов, а другие (депрессоры) подавляют ее. Вспениватели способствуют созданию обильной минерализованной пены.

Обычно пенный продукт  флотации состоит из зерен полезных минералов (концентрата), но так как различные флотационные реагенты могут действовать на минералы избирательно, то в некоторых случаях флотацию ведут так, чтобы всплывали неполезные минералы— минералы пустой породы (хвосты). В первом случае процесс называют прямой флотацией, во втором — обратной флотацией.

Флотационные машины, в которых осуществляется флотационный процесс, по своему действию делят на механические, пневматические и комбинированные. В первых для перемешивания пульпы и засасывания воздуха используют механические мешалки, во вторых воздух подается по специальным трубкам под небольшим давлением, в третьих перемешивание происходит мешалками с дополнительной подачей воздуха.

Рис. 13.   Схема   действия   механической флотационной машины

•Усреднение

Химический состав добываемых железных руд непостоянен, и это  обстоятельство вызывает при их дроблении непостоянство гранулометрического (зернового) состава. Неоднородность химического и гранулометрического состава шихты крайне  отрицательно  влияет  на  показатели  работы  доменных печей. Особо важное значение имеет постоянство содержания железа, так как снижение его содержания приводит к разогреву печи, а повышение — к похолоданию. Естественно, что при непостоянстве доменной шихты по содержанию железа приходится_ч вести плавку с некоторым избытком топлива с тем, чтобы исключить или хотя бы резко сократить число случаев похолодания печи, являющихся расстройством процесса, вызывающим ухудшение показателей ее работы.

Следует также обеспечить постоянство по основности пустой породы шихты с тем, чтобы обеспечить стабильность состава шлака. Рекомендуется так подготавливать шихту, чтобы отклонения по содержанию железа от среднего его содержания не превышали ±0,3—0,5 %.

Большое значение имеет  и однородность шихты по кусковатости. Особо вредное влияние оказывает  наличие мелочи в шихте.

Так, увеличение содержания мелочи в шихте (< 3 мм) на 10 % приводит к увеличению расхода кокса на 4—7 %.

5. Обжиг концентратов

Обжиг - высокотемпературная обработка руд и рудных концентратов в различной газовой среде с целью придания им необходимых физико-химических свойств, удаления из них летучих примесей и перевода нужных компонентов в извлекаемую форму. Обжиг проводится при температурах ниже точки плавления обрабатываемого материала. Наиболее часто используют агромерирующий, окислительный, восстановительный, сульфатизирующий и хлорирующий обжиги.

Агломерирующий обжиг – обжиг сульфидных руд и концентратов с целью их окускования и окисления большей части сульфидов до сравнительно просто извлекаемых оксидов. Отходящие газы установки обжига содержат оксиды серы и используются для производства Н₂SО₄.

Окислительный обжиг – обжиг концентратов в окислительной атмосфере (воздух, иногда обогащённый кислородом). Окислительный обжиг применяют для перевода сульфидов металлов в оксиды, более удобные для дальнейшей переработки. Таким способом обрабатывают молибденитовые, цинковые, свинцовые, пиритовые концентраты. В результате обжига получают огарок (техническая смесь оксидов) и газы для производства серной кислоты.

Восстановительный обжиг – обжиг оксидной руды или концентрата в восстановительных условиях (в присутствии углерода), при этом происходит частичное или полное восстановление руды до металла.

Сульфатизирующий обжиг – вид  окислительного обжига сульфидных концентратов, при котором образуются водорастворимые  сульфаты металлов (MeSХ mesО₄).

Хлорирующий обжиг – обжиг, в процессе которого материал хлорируется для перевода оксидов или сульфидов (в основном цветных металлов) в водорастворимые или летучие хлориды для дальнейшей переработки. Обжиг применяют также для обработки огнеупорных материалов, фарфоровых и фаянсовых изделий, сырья при производстве строительных материалов. Для этого обычно используют трубчатые вращающиеся печи горизонтального типа, многоподовые печи шахтного типа или печи кипящего слоя.

6. Окускование руд

Окускованием железных руд называются процессы превращения мелких руд и концентратов в кусковые материалы с целью улучшения хода

металлургических процессов  в печах различного типа для получения металлов из руд. Окускование руд широко применяется в металлургии черных и цветных металлов. В металлургии черных металлов окускованию подлежат все мелкие руды и концентраты, из которых получают металл в доменном, сталеплавильном и электрометаллургическом производствах.

В доменном производстве окускованием железорудного сырья достигают:

• уменьшения выноса газовым потоком мелких фракций руды из доменной печи;
• повышения газопроницаемости столба шихтовых материалов;
• улучшения использования тепловой энергии и восстановительной способности газового потока;
• улучшения протекания процессов восстановления, шлакообразования и перевода серы в шлак.

В итоге окускование сырья позволяет значительно увеличить

производительность  доменных печей, сократить расход кокса  и повысить качество чугуна.

Существует  три метода окускования руд и концентратов:

• агломерация (процесс спекания мелких руд и концентратов путем сжигания топлива в слое спекаемого материала или подвода высокотемпературного тепла извне);
• окатывание (процесс получения из концентрата сырых шаров диаметром 10 – 25 мм и последующего их обжига при температуре 1200 – 1350( С);
• брикетирование (процесс прессования пылеватых руд и концентратов в куски одинаковой формы с добавкой или без добавки связующих веществ).

В черной металлургии  наибольшее распространение получила агломерация и окатывание руд.

 

 

 

Агломерация. Это процесс окускования мелких руд, концентратов и колошниковой пыли спеканием в результате сжигания топлива в слое спекаемого материала. Наиболее распространены ленточные агломерационные машины со спеканием слоя шихты на движущейся колосниковой решетке при просасывании воздуха через шихту.

Продукт спекания (агломерации) — агломерат представляет собой кусковой пористый продукт черного цвета; упрощенно можно характеризовать его как спеченную руду или спеченный рудный концентрат.

Агломерацию следует  рассматривать шире, чем окускование, так как при этом удаляются некоторые вредные примеси (сера и частично мышьяк), разлагаются карбонаты и получается кусковой пористый, к тому же офлюсованный материал. По существу — это металлургическая подготовка руд к плавке. Способ спекания рудной мелочи на колосниковой решетке с просасыванием воздуха через слой шихты впервые был предложен в 1887 г., а в 1911 г. был внедрен с использованием горизонтальных ленточных машин.

Шихта агломерации и ее подготовка. Основные составляющие агломерационной шихты — железосодержащие материалы (рудный концентрат, руда, колошниковая пыль); возврат (отсеянная мелочь ранее произведенного агломерата); топливо (коксовая мелочь); влага, вводимая для окомкования шихты; известняк, вводимый для получения офлюсованного агломерата.

Кроме того, в шихту  зачастую вводят известь (до 25—80 кг/т  агломерата), что улучшает комкуемость  шихты, повышая ее газопроницаемость  и прочность агломерата; марганцевую руду (до 45кг/т агломерата) для повышения содержания марганца в чугуне и отходы (прокатную окалину, шламы и другие материалы, вносящие оксиды железа).

 

 

 

Количество  основных  компонентов  агломерационной  шихты, %:

Железосодержащие материалы

(руда, концентрат, колошниковая пыль) крупностью

8-0 мм        40-50

Известняк крупностью 3—0 мм 20—30

Возврат (мелкий агломерат)

крупностью 10—0 мм      .   . 20—30

Топливо крупностью 3—0 мм       4—6

Влага        6-9

Подготовку шихты, как  и спекание, ведут на агломерационных фабриках. Подготовка шихты должна обеспечить усреднение, необходимую крупность, дозирование компонентов шихты, смешивание и окомкование ее.

Составляющие шихты  из бункеров, где они хранятся, выдают с помощью весовых и объемных дозаторов. Дозирование должно обеспечить требуемый состав агломерата.

Для обеспечения равномерного распределения компонентов по всему  объему шихты необходимо осуществлять хорошее смешивание шихты, что обычно проводят во вращающихся барабанах, сначала в смесительном, а затем в окомковательном. На некоторых аглофабриках эти операции совмещают в одном барабане.

При подаче в барабан  воды разбрызгиваемой над поверхностью шихты, происходит окомкование ее вследствие действия возникающих между частичками материала капиллярных сил. Окомкованная шихта характеризуется более высокой газопроницаемостью. Большое влияние на комкуемость, а следовательно, и газопроницаемость оказывает содержание влаги в шихте. Газопроницаемость шихты возрастает по мере увеличения влажности до 6-9%, а при превышении этой величины шихта превращается в полужидкую массу, газопроницаемость которой низка. После окомкования шихту транспортируют к спекательной машине.

 

Зона горения

 

 

К эксгаустеру

Рис. 14. Схема  агломерационного процесса:

а - начало процесса;  б - промежуточный момент: в - конечный момент,  А-агломерат; Ш — шихта.

 

Процесс спекания. Схема процесса представлена на рис. 14. На колосниковую решетку 1 конвейерной ленты загружают так называемую "постель" 2 высотой 30—35 мм, состоящую из возврата крупностью 10—25 мм. Затем загружают шихту (250—350 мм). Под колосниковой решеткой создают разрежение около 7—10 кПа, в результате чего с поверхности в слой засасывается наружный воздух.

Чтобы процесс начался, специальным зажигательным устройством  нагревают верхний слой шихты до 1200—1300 °С, и топливо воспламеняется. Горение поддерживается в результате просасывания атмосферного воздуха. Зона горения высокой около 20 мм постепенно продвигается сверху вниз (до колосников) со скоростью 20—30 мм/мин.

В зоне горения температура достигает: 1400—1500 °С. При таких температурах известняк СаСО_э разлагается на СаО и С0₂ , а часть оксидов железа шихты восстанавливается до FeO. Образующиеся СаО и FeO, а также оксиды шихты Si0₂, Fe₃0₄, Fe₂0₃, А1₂О_э и др. вступают в химическое взаимодействие с образованием легкоплавких соединений, которые расплавляются. Образующаяся жидкая фаза пропитывает твердые частицы и химически взаимодействует с ними.

Когда зона горения опустится  ниже мест образования жидкой фазы, просасываемый сверху воздух охлаждает массу, пропитанную жидкой фазой, и последняя затвердевает, в результате чего образуется твердый пористый продукт — агломерат. Поры возникают в результате испарения влаги и просасывания воздуха. Продвижение через слой шихты сверху вниз зоны, в которой происходит горение топлива и формирование агломерата (т.е. спекаемого слоя) длится 8—12 мин и заканчивается при достижении постели (см. рис. 14, в).

Рассмотрим основные химические реакции, протекающие при  агломерации. Горение топлива происходит по реакциям:

С + 0,5О₂ = СО; С + 0₂ = С0₂.

В отводимых продуктах  горения отношение С0₂: СО равно 4/6, но вблизи горящих кусочков кокса атмосфера восстановительная (преобладает СО), что вызывает восстановление оксидов железа.

Большая часть непрочных оксидов Fe₂0₃ превращается в Fe₃0₄ в результате восстановления: 3Fe₂0₃ + СО = 2Fe₃0₄ + + С0₂,    либо    в    результате    диссоциации:    6Fe₂0₃ —> 4Fe₃0₄.

Часть оксидов Fe₃0₄ восстанавливается до FeO: 3Fe₃Q₄ + + СО = 3FeO + С0₂. Содержание FeO в агломерате обычно находится в пределах 7—17 %, оно возрастает при увеличении расхода кокса на агломерацию; одновременно уменьшается остаточное содержание Fe₂0₃.

Известняк разлагается  по реакции СаСО_э —> СаО + СО,, идущей с поглощением тепла.

При агломерации удаляется сера и частично (около 20%) мышьяк. Сера в шихте обычно находится в виде сульфида железа FeS₂ (пирит), а иногда в виде сульфатов CaSQ₄ • 2Н_гО (гипс) и BaS0₄ (барит). Пирит в условиях агломерации окисляется по нескольким реакциям, одна из них: 3FeS₂ + + 20₂ = Fe₃0₄ + 6S0₂. Гипс и барит разлагаются при 1200-1400 °С по реакциям CaS0₄ = СаО + S0₃; BaS0₄ = ВаО + SO_a.

В процессе агломерации  выгорает 90-98 % сульфидной серы, а сульфатной 60—70%. Нижний предел относится к офлюсованному агломерату, а верхний к неофлюсованному.

Протекает много реакций  взаимодействия между оксидами шихты, в результате чего образуются десятки  различных химических соединений. В твердом офлюсованном агломерате обнаруживаются железокальциевые оливины (СаО)_x * (FeO)₂-x * Si0₂ (t_плав= 1130 °С), ферриты кальция