СПОСОБ МАГНИТНОГО ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR MAGNETIC ENRICHMENT OF IRON ORE MATERIAL

Изобретение относится к магнитному обогащению железосодержащих руд и может быть использовано в черной металлургии.
Известно применение обжигмагнитного обогащения, включающего восстановительный (или магнетизирующий) обжиг - процесс термической обработки сырых материалов в восстановительной среде с последующим обогащением полученного сильномагнитного материала [Малыгин А.В., Мальцев В.А., Видуецкий М.Г. Рудоподготовительные процессы в плавильном производстве. - Екатеринбург: ООО АМК «День РА», 2016. - 415 с.; Кармазин В.И, Губин Г.В., Юров П.П. Обжигмагнитное обогащение железных руд. - М.: Недра, 1969. - 168 с.; Тациенко П.А. Обжиг руд и концентратов. - М.: Металлургия, 1985. - 232 с.] Данный способ является наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому.
Известны также и другие способы магнетизирующего обжига слабомагнитных железных руд [А.с. 116150 СССР, А.с. 980629 СССР, А.с. 1167204 СССР, А.с. 1341209 СССР, А.с. 1700057 СССР].
Получение сильномагнитных продуктов обжига позволяет обеспечить разделение железосодержащих частиц и частиц пустой породы методами магнитной сепарации в слабых магнитных полях сепараторов с постоянными магнитами при минимальных затратах энергии и средств. Магнетизирующий обжиг ведут в шахтных печах, печах кипящего слоя, конвейерных печах, вихревых камерах и других агрегатах.
2
3
2
3
-6
-6
Задача магнетизирующего обжига - обеспечение такого режима восстановления железной руды, при котором слабомагнитные минералы (гематит, сидерит, гидроксиды железа) превращаются в сильномагнитные минералы: магнетит и маггемит (γ-FeO). Магнетит имеет удельную магнитную восприимчивость, равную 50000⋅10 Э, что позволяет подвергать руду обогащению на электромагнитных сепараторах. Гематитовая руда FeO - слабомагнитная с магнитной восприимчивостью, равной 250⋅10 Э, что недостаточно для обогащения руды на слабомагнитных сепараторах. При этом степень восстановления (магнетизации) руды определяется по формуле:
r=2,33⋅FeO/Fe,
где FeO и Fe - общее содержание FeO и железа в обожженной руде соответственно; 2,33 - отношение Fe/FeO в магнетите.
Руда восстановлена до магнетита, если величина r становится равной 1,0. При дальнейшем восстановлении, когда значение показателя степени восстановления r становится больше единицы, его использование как характеристики степени магнетизации теряет смысл, так как наряду с магнетитом появляется слабомагнитный продукт - вюстит, а затем ферромагнитный продукт - металлическое железо.
При нагреве бурых железняков происходит удаление влаги:
2
3
2
2
3
2
FeO⋅nHO=FeO+nHO;
при нагреве сидеритовой руды - диссоциация сидерита:
3
3
4
2
3FeCO=FeO+2CO+СО.
Гематит восстанавливается до магнетита:
2
3
3
4
2
3FeO+СО=2FeO+CO;
2
3
2
3
4
2
3FeO+Н=2FeO+HO.
2
3
При безокислительном охлаждении восстановленной до магнетита руды ее рудным минералом после обжига остается магнетит. Возможен вариант восстановительно-окислительного обжига, когда охлаждение обожженного продукта до температуры 400-350°С (в зависимости от типа и состава руды) ведут в бескислородной атмосфере, а дальнейшее охлаждение производят воздухом. В этом случае из магнетита образуется маггемит (γ-FeO), обладающий сильными магнитными свойствами. Такой вариант применяют для обжига окисленных кварцитов. Окисление магнетита до маггемита происходит по реакции:
3
4
2
2
3
2FeO+0,5О=3γ⋅FeO.
Процесс восстановления зерна рудного минерала с целью получения магнетита в определенных условиях может происходить зонально; одновременно с восстановлением гематита до магнетита может идти восстановление магнетита до вюстита, а затем вюстита до металлического железа.
Процесс восстановления железа из оксидов протекает ступенчато путем перехода от высших оксидов к низшим и в конечном счете до металла через все устойчивые в данных условиях состояния:
2
3
3
4
FeO→FeO→Fe (при температуре ниже 570°С);
2
3
3
4
FeO→FeO→FeO→Fe (при температуре выше 570°С).
Зависимость числа стадий протекания реакций восстановления оксидов железа от температуры объясняется термодинамической неустойчивостью FeO при температурах, меньших 570°С. При таких температурах протекает реакция разложения FeO:
3
4
4FeO=FeO+Fe.
Магнетит переходит в железо по реакциям:
3
4
2
FeO+4СО=3Fe+4CO;
3
4
2
2
FeO+4Н=3Fe+4HO.
Восстановление с повышением температуры выше 570°С идет по реакциям:
3
4
2
FeO+СО=3FeO+CO;
3
4
2
2
FeO+Н=3FeO+HO.
Эти реакции приводят к потере магнитных свойств и называются переобжигом. Парамагнитный монооксид железа и вюстит переходят в железо:
2
FeO+СО=Fe+CO;
2
2
FeO+Н=Fe+HO.
2
Восстановление оксидов железа углеродом начинается при температуре выше температуры начала реакции газификации углерода (CO+С=2СО-166,3 МДж) и состоит из 2 стадий
2
FeO+СО=Fe+CO;
2
CO+С=2СО.
Суммарная реакция имеет вид:
FeO+С=Fe+СО.
Чем выше температура, тем выше скорость прямого восстановления руды углеродом. Легко газифицируемый бурый уголь благодаря выделяющимся при нагреве газообразным восстановителям, восстанавливает гематит при температуре 450-500°С.
2
4
Промышленное значение имеет процесс восстановления руды метаном природного газа. При температуре ниже 900°С восстановителями являются продукты неполного сгорания метана СО и Н. Состав продуктов горения зависит от коэффициента расхода воздуха, содержания в нем влаги и может быть рассчитан по реакции горения СН.
Оптимальными для намагничивающего обжига являются термодинамические и кинетические условия, обеспечивающие наибольшее содержание железа в сильномагнитной форме при минимальных расходах топлива и затратах на обжиг.
2
2
2
2
2
2
При температуре восстановления ниже 570°С слабомагнитный FeO не образуется при любых отношениях CO/СО и HO/Н. При температуре выше 570°С для предотвращения образования FeO отношения CO/СО и HO/Н по мере повышения температуры должны увеличиваться.
Степень возможного переобжига руды при температуре выше 570°С зависит от скорости восстановления и времени ее обработки. В общем случае скорость процесса восстановления (и) зависит от величины эффективной реакционной поверхности твердого материала и избыточной по отношению к равновесному значению концентрации реагирующего газа:
эфф
p
эфф
2р
2
υ=k⋅g⋅S⋅(CO-CO)=k⋅g⋅S⋅(СO-CO),
где k - константа скорости процесса, см/с;
g - масса твердого вещества, г;
эфф
2
S - сумма наружной и доступной внутренней поверхности, принимающих участие в процессе восстановления, см/г;
2
р
2p
СО, СО, СО, CO - текущие и равновесные содержания компонентов в газовой смеси, д. ед.
2
2
Условиям уменьшения переобжига удовлетворяет относительно низкая температура обжига и небольшое содержание восстановителя (СО, Н) в газовой фазе. Для ограничения образования FeO необходима относительно высокая (более 1 м/с) скорость газового потока, небольшая крупность материала (менее 5 мм), температура восстановителя для водорода и монооксида углерода ниже 800°С, концентрация СО, Н - 10%, для метана температура ниже 900°С. В этих условиях ограничение образования FeO достигается сокращением продолжительности обжига путем использования агрегатов с интенсивным теплообменом, например, печей кипящего слоя.
2
Теоретически избежать переобжиг можно ведением процесса при температуре 550-600°. Промышленные исследования, выполненные при обжиге бурых железняков Лисаковского и других месторождений в трубчатой вращающейся печи, показали, что при таких низких температурах даже при пребывании руды в печи от 3 до 7 часов удовлетворительный обжиг руды не достигается. Для большинства руд требуемая температура обжига составляет 750-800°С при содержании СО и Н в зоне восстановления должна составлять 850-950°С. Предельной температурой процесса для большинства руд является температура около 1000°С, выше которой происходит их размягчение и спекание.
Регулирование качества обжига может производиться изменением концентрации восстановителей в газовой фазе или изменением времени пребывания руды в печи. Возможность изменения концентрации восстановителей в полной мере представляется только при использовании природного газа за счет возможности изменения коэффициента расхода воздуха в широких пределах. При использовании для обжига твердого восстановителя или низкокалорийного, например, доменного, газа наиболее эффективным фактором является изменение времени пребывания руды в печи.
Многочисленными экспериментами установлено, что наиболее высокие показатели обогащения обожженных окисленных руд получаются при степени восстановления несколько выше, чем у химически чистого магнетита.
2
3
2
3
Наиболее приемлемым для практики считают восстановительно-окислительный обжиг руды. В этом варианте наряду с высокими магнитными свойствами маггемита (γ-FeO) часть энергии, затраченной на восстановление руды, возвращается при ее окислении до маггемита. Верхний температурный предел устойчивости γ-FeO зависит от химического и минералогического состава руд, режима восстановления и окисления магнетита. Вопрос о применении восстановительного или восстановительно-окислительного обжига в каждом отдельном случае решается опытным путем с последующим выполнением технико-экономического обоснования.
Недостатками существующих способов магнитного обогащения железорудного материала, включающих термическую обработку, являются дороговизна и низкая производительность процесса.
Задачей изобретения являлось увеличение экономической эффективности способа магнитного обогащения железорудного материала, что позволит широко ввести в производство малоиспользуемые слабомагнитные железные руды, характеризующиеся такими преимуществами как дешевизна их добычи и доступность к металлургическому производству.
Техническим результатом изобретения являлось удешевление осуществления способа и повышение его производительности.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе магнитного обогащения железорудного материала, включающем подготовку железорудного материала, дробление и измельчение его до раскрытия рудных зерен, транспортировку железорудного материала на магнитный сепаратор и разделение железорудного материала на магнитную и немагнитную части, согласно изобретению, транспортировку железорудного материала осуществляют через соленоидную катушку, подключенную к регулируемому источнику постоянного тока высокого напряжения.
Предлагаемый способ основан на природе магнетизма. Атомы имеют электрическую структуру: состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. Кроме того, и электроны, и ядра обладают своеобразным внутренним вращением. Их орбитальное и внутреннее движения создают внутриатомные микроскопические электрические токи. Отсюда следует, что каждый электрон и каждое ядро представляют собой атомный магнетик. В силу этого все тела, построенные из атомов, являются источниками магнитного поля или по-другому - магнетиками.
В магнетитах атомные магнетики в пространстве упорядочены, они обладают сильномагнитными свойствами. Однако большинство веществ (полезных ископаемых, например, гематит) не проявляют сильномагнитные свойства. Это обусловлено тем, что в обычных условиях атомные магнетики распределены хаотически, направления их полей не упорядочены и поэтому результирующий эффект всего тела оказывается нулевым или, как в слабомагнитных рудах, малым. И только с помощью внешних воздействий, например, магнитного поля соленоидной катушки, по которой течет достаточно сильный постоянный электрический ток, можно упорядочив поля атомных магнетиков, повысить магнитные свойства слабомагнитного тела [Вонсовский С.В. Магнетизм. - М.: Наука, 1971. - 1032 с.].
Целесообразно источник постоянного тока высокого напряжения, к которому подключена соленоидная катушка, выполнить регулируемым в связи с различием магнитных свойств железорудных материалов.
Способ магнитного обогащения железорудного материала осуществляют следующим образом.
После подготовки железорудного материала осуществляют дробление и измельчение его до раскрытия рудных зерен. Затем измельченный железорудный материал транспортируют на магнитный сепаратор для разделения железорудного материала на магнитную и немагнитную части, при этом транспорт железорудного материала осуществляют через соленоидную катушку, которая подключена к регулируемому источнику постоянного тока высокого напряжения.
Ниже приведен пример осуществления способа магнитного обогащения железорудного материала.
2
3
2
2
3
2
3
Подготовленную гематитовую руду следующего состава: FeO=37,23%; SiO=19,43%; AlO=6,68%; CrO=2,42%; NiO=0,83%, дробленную и измельченную до фракции 0-1 мм, пропускали через соленоидную катушку, подключенную к регулируемому источнику постоянного тока высокого напряжения. В результате железорудный материал при прохождении через сепаратор разделялся на два продукта: магнитный (в количестве 53,18%) и немагнитный. При использовании традиционного способа магнитный продукт получался в количестве 30,6%.
Применение предлагаемого способа магнитного обогащения железорудного материала позволило удешевить способ за счет замены топлива (газ, твердое топливо) на магнитное поле и повысить производительность способа с 75 тонн в сутки до 1200 тонн в сутки (на 1600%) за счет прохождения железорудного материала через соленоидную катушку.