СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАРГАНЦЕВЫХ ОКАТЫШЕЙ ИЗ НЕКАЛЬЦИНИРОВАННОЙ МАРГАНЦЕВОЙ РУДЫ И АГЛОМЕРАТ, ПОЛУЧЕННЫЙ ДАННЫМ СПОСОБОМ
METHOD OF PRODUCING MANGANESE PELLETS FROM NON-CALCINED MANGANESE ORE AND AGGLOMERATE OBTAINED USING SAID METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Описан способ получения марганцевых окатышей на основе некальцинированной марганцевой руды. Продукт, полученный согласно настоящему изобретению (окатыши из марганцевой руды), может быть использован при производстве ферросплавов (Fe-Mn, Fe-Si-Mn) в электрических печах, в получаемом в доменных печах высококачественном передельном чугуне и/или в качестве легирующего элемента при получении специальных сортов стали.
Уровень техники
Марганец имеет большое значение в производстве стали. Приблизительно 90% производимого в мире марганца предназначено для процессов производства стали в виде ферросплавов.
В Бразилии запасы марганцевой руды находятся в штатах Pará, Mato Grosso и Minas Gerais, при этом данные руды отличаются своей геологической формацией.
Большое количество рудной мелочи образуется при добыче руды на рудниках и на станциях для обработки марганца. Из-за размера зерен такой материал не может быть непосредственно использован в электрических печах для производства ферросплавов или в других печах. Помимо проблем с окружающей средой такой материал оказывает отрицательное действие на проницаемость слоя, снижая производительность завода и увеличивая расход энергии.
Производители марганцевой руды - особенно те, кто получает большое количество рудной мелочи - постоянно находятся в поиске альтернативных способов более широкого использования таких руд. Рассматриваемые технологические альтернативы включают агломерацию мелкой фракции посредством спекания, комкования и брикетирования.
Технология спекания марганца хорошо разработана. Такая руда подходит для спекания и позволяет получать соответствующий спекшийся материал, который может быть использован в восстановительных электрических печах - особенно при местном использовании - поскольку спекшийся материал не обладает достаточным механическим сопротивлением, для того чтобы выдержать тяжесть погрузки и транспортировку на большое расстояние.
Были проведены некоторые исследования по холодной агломерации посредством брикетирования и комкования, однако такие исследования не имели успеха из-за больших проблем в физическом и металлургическом качестве получаемых агломератов.
Ранее компании и исследовательские центры занимались исследованием горячего производства марганцевых окатышей. Проведенные исследования показали, что окатыши после обжига становятся очень хрупкими из-за интенсивного растрескивания. По всей вероятности, это происходит из-за большой, вызванной огнем потери руды и трансформаций в фазе оксида марганца. Данные факты привели к включению предварительных фаз в производственную цепь по термической обработке руды, предназначенной для производства Mn окатышей высокого физического качества.
В самом обычном процессе производства марганцевых окатышей используют предварительно кальцинированную марганцевую руду в восстановительной атмосфере псевдоожиженного слоя. Такой процесс включает термическую обработку марганцевой руды после получения и обжига сырых окатышей. Основной целью такой термической обработки, также известной как восстановительное кальцинирование, является производство магнетита и облегчение процесса удаления железа посредством магнитного разделения, обеспечивающего обогащение руды. Побочным действием такой термической обработки является разложение диоксидов марганца, интерферирующих с марганцевыми окатышами, обжигаемыми согласно традиционным производственным процессам (колосниковая печь и цепная колосниковая решетка). Следовательно, традиционный способ производства марганцевых окатышей включает, помимо предварительного кальцинирования в псевдоожиженной атмосфере печи, фазы дробления, фильтрования, магнитного разделения, комкования и обжига в печах типа цепной колосниковой решетки.
Основной проблемой такой методики является преодоление трудности получения физически адекватных марганцевых окатышей при их получении из некальцинированной руды. В процессе обжига общей массы марганцевых окатышей, полученных из некальцинированной руды, в структуре окатышей возникает множество дефектов, таких как трещины и разрывы, которые существенно снижают стойкость к сжатию. В экстремальных случаях это может привести к полному структурному разрушению окатышей, a.k.a. разрушению в результате растрескивания. Это явление происходит из-за избыточного образования пара на стадиях сушки и предварительного нагревания, вызванного испарением воды и разложением диоксидов марганца. В тех случаях, когда окатыши не имеют должной пористости, образующийся пар создает внутреннее напряжение в его структуре, достаточное для того, чтобы сделать окатыш хрупким или даже разрушить его. Физически несоответствующий окатыш может вызвать излишнее образование мелкой фракции при погрузке, транспортировке и/или во время восстановления в печи. Такое образование мелкой фракции может привести к потере продукта при грохочении через сито перед печью или к ухудшению свойств материала во время восстановления из-за потери проницаемости слоя.
Несмотря на их важность для производства стали, получение окатышей из марганцевой руды до настоящего времени было мало изучено, и по этому вопросу было опубликовано небольшое количество работ.
В документе JP 001040426 описано получение окатышей из предварительно восстановленных марганцевых руд.
В документе UA 16847U описано получение марганцовистого чугуна из низкокачественных марганцевых руд.
В документе US 4273575 описано превращение мелочи железной руды или марганцевой мелочи с частицами размером менее 150 микрон в шарики, максимальный размер которых составляет 6,0 мм, посредством добавления агломерирующих веществ с последующим получением окатышей и термической обработкой при 300°С.
В документе JP 57085939 описано сырье для получения железа-марганца, включающее мелочь марганцевой руды, посредством добавления 7,0% агломерирующего вещества типа портландцемента и возможного добавления от 7,0% до 10,0% воды. Затем окатыши отверждают в течение периода времени, который может продолжаться от трех дней до недели.
ICOMI (Indústria e Comércio de Minérios do Amapá) построила и управляет заводом по производству окатышей, использующим марганцевую руду, добытую на собственном руднике. Этот завод был спроектирован Bethlehem Steel Corporation (BSH), США.
Ежемесячная производительность данного завода составляла 20000 тонн.
Физические свойства марганцевых окатышей сравнимы со свойствами получаемых/известных железорудных окатышей.
Руководство и управление заводом осуществляла ICOMI, а техническую помощь оказывала BSC.
Руда из Serra do Navio Mine (SNV) представляет собой руду из оксида марганца (65% вес.), имеющую следующий состав:
Криптмелан
KMn<sub>8</sub>O<sub>16</sub>.H<sub>2</sub>O
Преобладающий компонент
Гаусманит
Mn<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
В меньшей пропорции
Оксид алюминия
Алюмосиликат
20%
Оксид железной руды
Гетит FeO(OH)
15%
На фигуре 1 показана технологическая схема переработки руды с подачей восстанавливающей кальцинирующей фазы (печь для обжига), используемая ICOMI.
Продукция технологической установки ICOMI имеет следующие характеристики:
Крупная
75-13 мм
Промытая и просеянная через сито
48,5% Mn
Калиброванная
13-8 мм
Промытая и просеянная через сито
48% Mn
Некрупная
8 мм-20 меш
Классификатор реечного типа
43% Mn
Тонкая
20-100 меш
Нижний продукт гидроциклона
31% Mn
Шлам
<100 меш
Верхний продукт гидроциклона
16% Mn
Для получения окатышей ICOMI, имеющих желаемый размер зерен, использовали смесь из 75 т некрупной и 50 т тонкой руды или 60% и 40% соответственно. Полученную смесь (с размером зерен от 8 мм до 150 меш) затем подают в печь с псевдоожиженным слоем (печь для обжига), которую используют для кальцинирования в восстановительной атмосфере. Основой целью на данном этапе является превращение гематита в магнетит в железной руде. Удаление магнетита осуществляют посредством магнитного разделения. Это повышает соотношение марганец/железо, т.е. обогащает марганцевую руду. Кроме того, его побочным действием является кальцинирование руды, что предотвращает разрушение диоксидов Mn в процессе обжига окатышей.
Для получения окатышей Mn руды - концентрированных и кальцинированных - ICOMI использует бентонит в качестве агломерирующего агента, добавляя его в количестве 20 кг на тонну руды (2,0%). Стойкость к сжатию полученных окатышей составляет порядка 250 кгс/окатыш.
На фигуре 2 показана обработка руды во время кальцинирования до получения окатышей.
Используют гранулирующий диск ступенчатого типа, обеспечивающий повышение продолжительности сопротивления материала диска. Это способствует лучшему формированию и хорошей чистовой обработке сырых гранул.
На фигуре 3 показана схематическая технологическая карта сушки, комкования и просеивания сырых окатышей.
Согласно ICOMI на стадии обжига используют печь колосникового типа (см. чертеж на фигуре 4, показывающий печь для обжига окатышей). Надписи на фигуре 4 приведены ниже в таблице 1:
Таблица 1Надписи на фигуре 4
Описание
Надпись
Сырые окатыши
(1)
Возрастающая сушка
(2)
Убывающая сушка
(3)
Предварительный обжиг
(4)
Обжиг
(5)
Дополнительный обжиг
(6)
Охлаждение
(7)
РЕ
(8)
Обожженные окатыши
(9)
В приведенной ниже таблице 2 приведено описание продукции ICOMI:
Таблица 2Описание продукции ICOMI
Продукция
Размер
Химическое разрушение (% вес.)
%<6 мм
(мм)
Mn
Fe
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Mn/Fe
K<sub>2</sub>O+NaO<sub>2</sub>
P
Крупная
75-13
48,5
5,8
2,5
5,2
8/1
2,0
0,9
15
Калиброванная
13-8
48,0
6,0
2,0
5,0
8/1
-
-
-
Некрупная
8-20#
43,0
8,0
5,0
7,0
5/1
1,5
0,10
100
Тонкая
20#-100#
31,0
10,0
14,0
12,0
3/1
-
-
-
Шлам
<100#
16,0
14,0
25,0
30,0
1/1
-
-
-
Окатыш
20-6
55,1
6,1
5,2
7,2
9/1
1,1
0,09
10
В итоге, процесс получения окатышей согласно ICOMI должен включать фазу восстановительного кальцинирования с последующим магнитным разделением в качестве альтернативы повышения соотношения Mn/Fe в руде, обеспечивая таким образом снижение уровня распада, вызванного химической обработкой окатышей. После данной стадии до стадии комкования руду подвергают влажному дроблению, классификации гидроциклонами, сгущению, гомогенизации, фильтрации и сушке.
Цели изобретения
Целью настоящего изобретения является получение окатышей из мелкой фракции марганцевой руды, опуская осуществлявшееся ранее кальцинирование руды и заменяя стадии дробления, сгущения, гомогенизации, фильтрации и сушки естественным измельчением с помощью роликового пресса.
Получаемый продукт имеет определенное заранее химическое разрушение и физические свойства, такие как высокое сопротивление сжатию и износу (абразия), для того чтобы выдержать нагрузку при загрузке-разгрузке, транспортировку на большие расстояния и обработку в печах для производства стали.
Настоящее изобретение снижает катастрофическое действие по разрушению окатышей благодаря:
- адекватному контролю гранулометрического состава;
- знанию механизмов превращения фаз, повышая таким образом температуру, воздействию которой подвергают руду (см. таблицу 3);
- разработке соответствующего термического цикла для контроля стадии обжига.
Таблица 3Определяемые температурой реакции марганцевой руды
Температуры
Реакции
560-630°С
4MnO<sub>2 </sub>(с) при 2Mn<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (с)+О<sub>2</sub> стабильная реакция пиролюзит-криптомелан
840-900°С
2KMn<sub>8</sub>O<sub>16 </sub>(с) при 6Mn<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (с)+3О<sub>2</sub>+K<sub>2</sub>Mn<sub>4</sub>O<sub>8 </sub>(с) перманганат калия партридгейта криптомелана
900-1020°С
3Mn<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (с) при 2MnO·Mn<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (с)+½О<sub>2</sub>партридгейт гаусманита2K<sub>2</sub>Mn<sub>4</sub>O<sub>8 </sub>(с) при 4Mn<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (с)+О<sub>2</sub>+2K<sub>2</sub>O (жидк.)перманганат калия
2K<sub>2</sub>O (жидк.)+Al<sub>2</sub>O<sub>3 </sub>(c)+2SiO<sub>2</sub> (c) при 2KAlSiO<sub>4</sub> (c)+O<sub>2</sub>
Преимущества настоящего изобретения
Был разработан новый способ получения марганцевых окатышей из некальцинированной предварительно руды. Данный способ имеет некоторые преимущества, среди которых:
- получение продукта с заданным/известным химическим разрушением; большая точность баланса массы;
- получение марганцевых окатышей, обладающих соответствующей механической прочностью, для того чтобы выдержать транспортировку на большие расстояния, перемещение и не подвергнуться разрушению во время их использования в металлургических реакторах, и образующих меньшее количество мелких фракций на всех этих стадиях;
- существенное снижение производственных затрат по сравнению с традиционными производственными затратами;
- улучшение эксплуатационных качеств металлургических реакторов. Повышение производительности печей для ферросплавов благодаря более гомогенному размеру частиц и лучшей проницаемости загрузки;
- получение более гомогенного продукта с точки зрения химического состава, физических и металлургических свойств его компонентов - составление загрузок, целью которых является получение ферросплавов, передельного чугуна или специальных сортов стали после добавления некоторых элементов;
- повторное использование рудной мелочи, образующейся во время экстракции, перемещения/обогащения и транспортировки - максимизация запасов;
- снижение уровня ответственности за окружающую среду;
- восстановление поврежденных материалов - повторное использование хвостовых погонов. Превращение считавшейся отходами руды в запасы;
- обработка остатков наиболее оптимальным образом, обеспечивающая снижение уровня ответственности за окружающую среду, а также производственные затраты в результате снижения стоимости сырья благодаря их пониженной ценности и возможной пропорции замещения;
- предвосхищение решений в случае более жестоких ограничений по охране окружающей среды в Европе;
- получение продукта с более низким содержанием влаги, что позволяет снизить затраты на перевозку богатого металлом продукта;
- выпуск на рынок нового и более ценного агрегатного продукта.
Итоговое описание изобретения
Были разработаны марганцевые агломераты, обладающие улучшенной механической прочностью, а также соответствующие способы их получения в результате агломерации измельченной марганцевой руды без предварительного кальцинирования, с использованием горячего комкования, включающие следующие стадии:
(а) подготовка размера частиц руды посредством классификации руды в зависимости от размера частиц, при этом частицы размером 1 мм или менее не допускают к процессу фракционирования частиц руды, оставляя частицы размером 1 мм или менее и измельчая их;
(b) добавление флюса;
(с) добавление агломерирующего вещества;
(d) комкование с получением сырых окатышей; и
(е) термическая обработка посредством сушки, предварительного нагревания и нагревания сырых окатышей.
Суммарное описание чертежей
Далее следует подробное описание настоящего изобретения со ссылкой на примеры его осуществления, проиллюстрированные чертежами.
На фигуре 1 показана технологическая схема процесса обработки руды на стадии подачи материала для восстановительного кальцинирования (печь для обжига) согласно известному способу.
На фигуре 2 показана обработка руды во время осуществления стадии восстановительного кальцинирования до комкования, известная в данной области техники.
На фигуре 3 показана схематическая карта, включающая стадию сушки, комкования и грохочения сырых окатышей, известную в данной области техники.
На фигуре 4 показана печь прямого действия - калибровочно-отверждающая установка, известная в данной области техники.
На фигуре 5 показана технологическая карта, иллюстрирующая смесь для комкования и способ подготовки руды, цели настоящего изобретения.
На фигуре 6 показано схематическое изображение колосниковой печи для обжига с чашей, используемой для имитации процесса с применением цепной колосниковой решетки.
На фигуре 7 показана индукционная печь, используемая для имитации процесса с применением стального конвейера.
На фигуре 8 показан график, иллюстрирующий температуры, получаемые во время испытаний на спекание в индукционной печи согласно фигуре 7.
На фотографиях 1А и 1В изображено оборудование, используемое в процессе, цели настоящего изобретения.
На фотографии 2 изображен диск, используемый для имитации процесса с применением цепной колосниковой решетки.
На фотографии 3 изображены сырые окатыши, используемые для имитации процесса с применением цепной колосниковой решетки.
На фотографии 4 изображена колосниковая печь для обжига с чашей, используемая для имитации процесса с применением цепной колосниковой решетки.
На фотографии 5 изображен лабораторный диск диаметром 400 мм, используемый в испытании на комкование при имитации процесса с применением стального конвейера.
На фотографиях 6А и 6В изображены увлажненные и сухие окатыши, используемые при имитации процесса с применением стального конвейера;
На фотографии 7 изображены спеченные при 1300°С окатыши, полученные в результате процесса имитации с использованием стального конвейера.
На фотографии 8 изображен диск для получения окатышей, используемый для изготовления сырых окатышей при имитации процесса с применением колосниковой печи.
На фотографии 9 изображена печь для обжига, используемая при имитации процесса с применением колосниковой печи.
Подробное описание изобретения
Комкование представляет собой механический и термический процесс агломерации по превращению ультратонкой фракции руды в шарики размером приблизительно от 8 до 18 мм, имеющие соответствующие характеристики для загрузки в восстановительные печи.
Настоящее изобретение позволяет получать окатыши из марганцевой руды без предварительного кальцинирования, от 40 до 60% которых проходят через ячейку размером 0,044 мм (более крупный материал).
Получение окатышей из марганцевой руды способом согласно настоящему изобретению включает следующие стадии:
1) сушка марганцевой руды;
2) получение нужного размера руды в результате процесса измельчения;
3) добавление к марганцевой руде флюсов (кальцитный или доломитный известняк или другие источники MgO, такие как серпентинит, оливин и т.д.);
4) добавление агломерирующего вещества к смеси марганцевой и флюсующей руды;
5) перемешивание материала, полученного на предыдущей стадии;
6) комкование полученной смеси для получения сырых окатышей из марганцевой руды;
7) просеивание сырых окатышей;
8) обжиг окатышей из марганцевой руды;
9) просеивание обожженных окатышей; и
10) складирование и отгрузка окатышей из марганцевой руды.
2
Данный способ применим к марганцевой руде с большим содержанием оксидов, а также к руде, содержащей другие металлы такого же типа, с определенным гранулометрическим составом, удельной поверхностью от 800 до 2000 см/г, от 40 до 60% которых проходят через ячейку размером менее 0,044 мм. Руду подготавливают таким образом, чтобы избежать образования ультратонкого материала.
2
Что касается процесса подготовки руды, выбор оборудования зависит от исходного размера руды. На данной стадии противопоказано шаровое измельчение для уменьшения размера частиц материала. Наиболее подходящим для процесса измельчения является следующее оборудование: дробильный или роликовый пресс или только роликовый пресс с рециркуляцией и без нее. В том случае, если размер частиц рудной фракции превышает 0,5 или 1,0 мм, размер ячеек вначале увеличивают таким образом, чтобы обеспечить 100% прохождение материала через такие ячейки, а затем материал подвергают обработке роликовым прессом с рециркуляцией и без нее. Материалы, размер частиц фракции которых составляет менее 0,5 или 1,0 мм, могут быть подвергнуты обработке на роликовом прессе с рециркуляцией и без нее. Прессование должно продолжаться до тех пор, пока величина удельной поверхности не достигнет от 800 до 2000 см/г и/или объем проходящего через ячейку размером 0,044 мм материала не достигнет величины от 40 до 60%. При использовании руды меньшего размера, т.е. имеющей нужный диапазон удельной поверхности и процентную величину прохождения через ячейку размером менее 0,044 мм, равную или 40%, стадии дробления и прессования могут быть опущены.
Стадии дробления и/или обработки на роликовом прессе осуществляют в закрытом режиме с грохотом, для того чтобы в результате таких операций получить нужный размер продукта.
Использование роликового пресса с рециркуляцией и без нее требует предварительной сушки руды, первоначальное содержание влаги в которой составляет от 12 до 15% против конечного содержания влаги, составляющего от 9 до 10%. Сушку предпочтительно осуществляют в роторной сушилке, работающей на твердом или жидком топливе и вырабатывающей электроэнергию.
После процесса комкования и получения марганцевой руды нужного размера измельченный материал смешивают с флюсом, таким как кальцитный или доломитный известняк или любые другие источники MgO, такие как серпентинит, оливин и т.д.
Количество флюса может варьироваться от 0,1 до 2,0% в зависимости от желаемого химического состава окатыша. Затем к смеси добавляют определенное количество агломерирующего вещества, которое может представлять собой бентонит (от 0,5 до 2,0%), гидратную известь (от 2,0 до 3,0%) или синтетическое агломерирующее вещество типа СМС, т.е. карбоксиметилцеллюлозы (от 0,05 до 0,10%). Добавляемые количества должны обеспечивать формирование сырых окатышей, обладающих достаточной прочностью для того, чтобы выдержать транспортировку до печи и термические удары, которым они подвергаются во время стадий сушки, предварительного обжига и обжига. Прочность на сбрасывание как увлажненных, так и сухих окатышей должна составлять, по меньшей мере, 1,0 и 2,0 кг/окатыш соответственно, при минимальном числе сбрасываний, равном 5.
Во время стадии комкования добавляют воду, используя диск или барабан. Добавляемое количество воды зависит от первоначального содержания влаги в смеси и должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить формирование сырых окатышей, имеющих хорошие физические качества. В зависимости от размера и количества добавляемого агломерирующего вещества содержание влаги может варьироваться от 14 до 18%.
Сырые окатыши подвергают термической обработке на цепной колосниковой решетке, в колосниковой печи или печи со стальным конвейером, в основном в зависимости от желаемого объема продукции. Из-за термического удара особое внимание следует обращать как на стадию сушки, так и предварительного обжига окатышей. Скорость нагревания должна варьироваться от 50 до 150°C/мин. Максимальная температура и общая продолжительность обжига должны быть таковы, чтобы обеспечить хорошее качество готового продукта с точки зрения физической прочности, в основном, прочности на сжатие. Максимальная температура может варьироваться от 1280 до 1340°C, а общая продолжительность обжига - от 34 до 42 минут. Прочность на сжатие окатыша должна составлять, по меньшей мере, 250 daN/окатыш.
Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приведены примеры комкования и обжига, однако они не должны рассматриваться как ограничивающие. Состав смеси для комкования и способ подготовки руды для всех примеров проиллюстрирован на фигуре 5.
Кальцитный известняк добавляют в качестве флюса и источника СаО для формирования и регулирования состава шлака в электрической печи (FEA), при этом смесь готовят таким образом, чтобы 70% материала проходило через ячейки размером 325 меш.
2
Бентонит добавляют в качестве агломерирующего вещества и флюса для процесса комкования. Марганец и SiO образуют смесь, температура плавления которой составляет порядка 1274°С.
На фотографиях 1А и 1В изображено оборудование для измельчения, используемое для осуществления настоящего изобретения: мельница (А) и роликовый пресс, стан/направляющее устройство (В), используемые для измельчения руд и флюсов.
Пример 1 - Комкование и опытный обжиг марганцевой руды - Процесс с использованием цепной колосниковой решетки
Сырье, используемое для исследования, представляет собой марганцевую руду, обозначенную как MF15, с Mina do Azul (Carajás/PA), северный кальцитный известняк и бентонит из Индии. В таблице 4 показаны результаты химических анализов используемых материалов:
Таблица 4Химические анализы сырья
Материалы
Fe
Mn
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
Р
РРС
SFMn-MF15
4,74
44,20
3,72
8,12
0,18
0,23
0,080
15,36
Кальцитныйизвестняк
ND
0,020
2,15
0,89
51,93
1,25
0,068
42,22
Бентонит
ND
ND
63,50
16,12
1,30
2,98
0,020
6,50
Ashapura
Во время стадии получения сырых окатышей использовали ленточный питатель с регулируемой скоростью, диск для комкования диаметром 1 (один) метр с наклоном 45°, скоростью 19 об./мин., и дозирующая система на основе разбрызгивания воды (фотография 2). Время от времени угол наклона диска изменяют (с 45° на 43°) таким образом, чтобы диаметр окатышей мог достичь от 10 до 20 мм в зависимости от более длительного времени пребывания. Угол наклона изменяют для того, чтобы после стадии обжига размер окатышей составлял от 8 до 18 мм в зависимости от усадки руды из-за гидратации, наблюдаемой в стендовых испытаниях во время стадий обжига и кальцинирования сырых окатышей.
Как показано на фотографии 3, с целью определения характеристик необработанных окатышей увлажненные и сухие необработанные окатыши подвергают испытаниям на прочность на сжатие и количество капель (величина упругости), проводимым для оценки свойств необработанных окатышей, имитируя стадии перемещения во время классификации (просеивание необработанных окатышей), транспортировки и загрузки в печь для обжига. Полученные результаты указаны в следующей таблице 5:
Таблица 5
Физические свойства необработанных окатышей
Прочность на сжатие (кг/p)
Число сбрасываний
Увлажненные
Сухие
1,15
8,49
90,73
После получения необработанных окатышей их подвергают просеиванию через ячейки размером 8, 10, 12,5, 16, 18 и 20 мм для определения гранулометрии.
Проходящие через ячейки размером 10 мм материалы и материалы, не прошедшие через ячейки размером 20 мм, отсортировывают, в то время как материалы размером от 10 до 20 мм смешивают, получая загрузку для формирования сырых окатышей, затем обрабатываемую в опытной колосниковой печи с чашей.
На фигуре 6 и фотографии 4 показан схематический чертеж, на котором возрастающие цифры означают, соответственно, (3) - верх, (4) - середина, (5) - низ, (6) - футеровка, а цифры (1) означают слой футеровки (10 см) и (2) - боковой слой (2 см), а также фотография печи для обжига окатышей. Используемое оборудование имеет следующие характеристики:
Колосниковая печь для обжига с чашей:
Внутренний диаметр
30 см
Наружный диаметр
40 см
Высота
50 см
Огнеупорная футеровка
пластины из динасово-люминесцентного материала
Высота слоя футеровки
10 см
Давление воздуха
переменное
Поток воздуха
переменный
Диапазон температуры
от 0°С до 1350°С
При сборке колосниковой решетки с чашей обожженные рудные окатыши используют в качестве футеровочного слоя, защищенного решеткой/стальным экраном, а для бокового слоя используют фарфоровые шарики размером 6 мм.
После загрузки сырых окатышей печь запечатывают и термопары соединяют. Во время загрузки печи обжиг регламентируют, устанавливая поддерживаемый профиль температур таким образом, чтобы сырые окатыши могли подвергнуться верхней сушке, нижней сушке, предварительному нагреванию, нагреванию, последующему нагреванию и охлаждению, не образуя нежелательных обломков.
По окончании фазы охлаждения обожженные окатыши выгружают, отделяют от фарфоровых шариков, гомогенизируют, квартуют и отправляют на физические испытания на сжатие и сопротивление истиранию и химический анализ.
Обожженные окатыши затем подвергают лабораторным химическим анализам, результаты которых указаны ниже в таблице 6:
Таблица 6Химический состав обожженного окатыша
Mn
SiO<sub>2</sub>
СаО
Fe
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Прочность на сжатие
Сопротивление истиранию
41,00
5,92
2,43
5,71
9,26
250 daN/окатыш
3,0%<0,5 мм макс.
Были установлены следующие физические параметры качества обожженного окатыша: прочность на сжатие (RC) - 269 daN/окатыш и индекс истирания (AI) - 1,4% окатышей проходят через ячейку размером 0,5 мм.
Для проведения количественного анализа марганцевого окатыша используют нормы и методики ISO (Международная организация стандартов) для железных руд.
Пример 2 - Комкование и опытный обжиг марганцевой руды - Процесс с использованием стального конвейера
2
Анализы мелкой фракции марганцевой руды осуществляют, используя в основном химические методы с увлажнением, FAAS (атомная абсорбция), ICP (плазма) и анализатор Leco серы-углерода. Потерю тепла измеряют в атмосфере N при 1100°С.
В таблице 7 показаны результаты химического анализа.
Таблица 7Химический состав Mn руды
Ком-по-нент
Mn
Fe
SiO<sub>2</sub>
CaO
MgO
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
K
Na
S
C
L.O.l<sup>1) </sup>
H<sub>2</sub>O
%
43,1
6,1
4,5
0,27
0,36
9,0
0,89
<0,04
0,12
0,17
16,5
8,2
<sup>1) </sup>Потеря тепла
Кальцит используют в испытаниях в качестве флюса, имеющего следующий состав: потеря тепла 49,6% СаО и 43,0%.
Испытание на комкование осуществляют в 400-мм лабораторном диске (фотография 5). Смесь для комкования включает мелкую фракцию марганцевой руды, кальцит и бентонит, вначале смешанные вручную, а затем с использованием лабораторного V-образного смесителя в течение 60 минут. Полученную смесь вручную загружают в диск. После загрузки смеси в диск осуществляют контролируемое разбрызгивание воды для формирования окатышей. Средний желаемый диаметр окатыша составляет 12 мм. После испытания на комкование измеряют диаметры увлажненных и сухих окатышей и их прочность на сжатие, а также рассчитывают влажность увлажненных окатышей.
Для осуществления испытаний на спекание используют индукционную печь (фигура 7). Окатыши загружают в 110-мл тигель из оксида алюминия, который затем помещают внутрь графитового тигля большего размера, после чего всю конструкцию помещают в индукционную печь. Графитовый тигель сначала закрывают крышкой, а затем в тигель для испытаний вдувают воздух, постоянно измеряя температуру системы. После этого окатыши нагревают на лабораторном уровне в соответствии с желаемым профилем температур. Желаемая величина прочности на сжатие должна составлять 220 кг/окатыш (для размера в 12 мм). На фигуре 8 показаны такие температуры.
Результаты испытаний на комкование показаны в таблице 8, а изображения увлажненных и сухих окатышей показаны на фотографиях 6А и 6В.
Таблица 8Физические свойства сухого окатыша
Влага (%)
Прочность (кг/окатыш)
Увлажненный
Сухой
14,8
1,46
7,78
В испытании на спекание окатыш нагревают в соответствии с установленными температурными профилями согласно описанию спекания на металлическом конвейере, осуществляемого в лабораторном масштабе. Фактические условия спекания определяют в результате осуществления пилотного стендового испытания во время предстоящей стадии. Нужную прочность на сжатие, равную 200 кг/окатыш (диаметром 12 мм), получают при температуре 1300°С. Прочность на сжатие достигает 300 кг/окатыш при температуре 1350°С. Фотография 7 показывает изображение спеченных окатышей при температуре 1300°С.
Пример 3 - Опытное комкование и обжиг марганцевой руды - Процесс с использованием колосниковой печи
Химические составы как марганцевой руды, так и загрузки, используемых в данном исследовании, показаны в таблицах 9-11.
Таблица 9Химические свойства марганцевой руды
Элемент
Fe<sub>сумма</sub>
FeO
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Mn<sub>сумма</sub>
MnO
MnO<sub>2</sub>
SiO<sub>2</sub>
%
6,49
1,87
7,21
42,73
1,52
65,75
5,79
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
K<sub>2</sub>O
Na<sub>2</sub>O
P
S
LOI
7,24
1,12
0,26
0,19
0,042
0,093
0,035
6,82
Таблица 10Химические свойства бентонита
Элемент
Fe<sub>сумма</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
K<sub>2</sub>O
Na<sub>2</sub>O
P
S
LOI
%
9,10
13,01
50,97
17,32
2,89
0,26
0,16
2,52
0,053
0,035
11,91
Таблица 11Химические свойства кальцитного известняка
Элемент
Fe<sub>сумма</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
LOI
Содержание
0,17
0,24
0,65
0,22
54,89
0,26
43,32
Были исследованы сырые окатыши, полученные в дисках для комкования (фотография 8) с использованием смесей марганцевой руды, известняка и бентонита, а также влияние различных параметров на качество сырых гранул. В результате данного исследования были получены следующие параметры:
- условия комкования: продолжительность комкования и уплотнение при комковании;
- доза бентонита;
- размер известняка;
- доза угля.
В таблицах 12-14 показаны результаты проведенных исследований.
Таблица 12
Влияние продолжительности комкования, уплотнения при комковании и дозировки бентонита на качество сырых гранул
Условия комкования
Бентонит/%
Число сбрасываний
Прочность на сжатие в увлажненном состоянии
Температура термического удара/°C
Влага/%
Продолжитель-ность комкования/мин
Продолжительность уплотнения/мин
12
2
1,5
59,9
13,74
540
15,72
12
0
1,5
51,1
10,01
520
15,80
7
2
1,5
9,7
9,50
449
16,61
Таблица 13Влияние основности на качество сырых окатышей
Основность/СаО/SiO<sub>2</sub>
Количество капель
Прочность на сжатие в увлажненном состоянии/N/окатыш
Термический удартемп./°С
0,18 (естественная основность)
9,7
9,50
449
0,30
10,9
13,48
270
0,50
9,1
14,03
261
0,70
13,6
16,39
260
0,90
13,8
12,14
225
1,10
19,6
14,85
206
Таблица 14Влияние добавления угля на качество сырых окатышей
Добавление угля, %
Количество капель
Прочность на сжатие в увлажненном состоянии/N/окатыш
Термический удартемп./°С
0
13,8
12,14
225
0,5
13,0
10,29
368
1,0
11,2
8,60
345
На основании полученных результатов могут быть сделаны следующие выводы:
- Наиболее соответствующими параметрами комкования являются: добавление бентонита в количестве от 1,4 до 1,5%, влаги - от 14 до 15% и продолжительность комкования - порядка 12 минут. В таких условиях общее количество капель равно 50, а температура термического удара составляет более 400°С, в то время как прочность на сжатие увлажненного сырого окатыша составляет более 10N/окатыш;
- Повышенная основность предполагает увеличение числа капель и повышение прочности на сжатие увлажненного сырого окатыша. Наблюдается также очень сильное снижение температуры термического удара. С другой стороны, повышение количества добавляемого угля существенно влияет на повышение прочности на сжатие увлажненного сырого окатыша.
Сырые окатыши обжигают в вертикальной печи (фотография 9) и во время осуществления данной стадии определяют влияние следующих параметров на прочность на сжатие обожженного окатыша:
- условия предварительного нагревания, времени и температуры;
- условия нагревания, времени и температуры;
- бинарная основность;
- добавление угля.
В таблицах 15-18 показаны результаты таких исследований:
Таблица 15Влияние температуры и продолжительности предварительного нагревания на качество обожженного окатыша
Температура (°С)
Время (мин)
Прочность на сжатие (N)
1
2
1010
8
492
542
1010
10
577
594
1010
12
544
551
1010
15
/
549
1 - Продолжительность комкования и прессования составляет 12 и 2 мин соответственно, при нормальной скорости нагревания.2 - Продолжительность комкования и прессования составляет 7 и 2 мин соответственно, при низкой скорости нагревания.3 - %<0,044 мм=60%.
Таблица 16Влияние температуры обжига на качество обожженного окатыша
Температура (°С)
Время (мин)
Прочность на сжатие (N)
1
2
3
1250
15
/
1140
1322
1280
15
1493
/
/
1300
15
/
1437
1190
1316
15
1513
1881
2088
1330
15
/
/
/
1337
15
2433
2567
2241
1 - Продолжительность комкования и прессования составляет 12 и 2 мин соответственно, при низкой скорости нагревания.2 - Продолжительность комкования и прессования составляет 7 и 2 мин соответственно, при низкой скорости нагревания.3 - Продолжительность комкования и прессования составляет 7 мин при низкой скорости нагревания.4 - %<0,044 мм=60%.
Таблица 17Влияние продолжительности обжига на качество обожженного окатыша
Температура (°С)
Время (мин.)
Прочность на сжатие (N)
1
2
1337
12
/
1861
1337
15
2433
2567
1337
18
/
2530
1337
20
2338
/
1 - Продолжительность комкования и прессования составляет 12 и 2 мин. соответственно, при низкой скорости нагревания.
2 - Продолжительность комкования и прессования составляет 7 и 2 мин соответственно, при низкой скорости нагревания.3 - %<0,044 мм=60%.
Таблица 18Влияние основности на качество обожженного окатыша
Температура (°С)
Время (мин)
Прочность на сжатие (N)
R0,3
R0,5
R0,7
R0,9
R1,1
1300
15
1120
1400
1438
1478
/
1320
15
/
1822
1853
2137
2235
1330
15
/
/
/
2167
2242
1337
15
2554
2799
2817
3136
3229
1337
12
/
/
/
/
2255
Таблица 19Влияние добавления угля и продолжительности предварительного нагревания на качество обожженного окатыша
Уголь (%)
Температура предварительного нагревания (°С)
Продолжительность предварительного нагревания (мин)
Прочность на сжатие (N)
0
1010
10
594
0,5
1000
10
241
0,5
1050
10
221
0,5
1100
10
260
1,0
1000
10
203
1,0
1050
10
178
1,0
1100
10
196
На основании полученных результатов могут быть сделаны следующие выводы:
(1) Условия предварительного нагревания сырых окатышей являются очень важными для получения предварительно нагретых окатышей хорошего качества. Получение сырых окатышей с использованием руды, 60% которой имеет размер менее 0,044 мм, 1,5% бентонита, времени комкования 7 мин и 2 мин для прессования, температуре и продолжительности предварительного нагревания, составляющих 1010°С и 10 мин, соответственно, позволяет получить предварительно нагретые окатыши, прочность на сжатие которых составляет 600N.
(2) Прочность на сжатие обожженного окатыша достигает 600N во время предварительного нагревания и 2600N во время нагревания, при этом температура и продолжительность обработки составляют 1010°С и 10 мин во время предварительного нагревания и 1337°С и 15 мин во время нагревания;
(3) Прочность на сжатие обожженного окатыша может быть резко повышена в результате добавления кальцитного известняка, при этом основность варьируется от 0,3 до 1,1 при условиях нагревания, описанных в п.2.
(4) Добавления угля оказывает отрицательное влияние на прочность на сжатие обожженного окатыша.