1404
.pdfГлава IV
БРИКЕТИРОВАНИЕ РУД § 1. Общие сведения
Брикетирование мелкозернистых руд и тонких рудных концен тратов применяется для получения кускового материала, для ме таллургического передела, обладающего заданными свойствами, составом, размерами и формой.
Объектами брикетирования являются рыхлые пылеватые руды, например, бурые железняки, агломерация которых требует высо кого расхода топлива, богатые тонкие концентраты железных руд, брикетирование которых в ряде случаев может быть успешно осуществлено с лучшими, по сравнению с агломерацией, технико экономическими показателями, медистые колчеданы, окисленные никелевые руды, цинковые концентраты и др.
Руды брикетируют обычно со связующими веществами. Без присадки связующих веществ могут брикетироваться бедные железные и некоторые руды цветных металлов, в состав которых входят компоненты, обладающие связующими свойствами, или слабоструктурные руды, образующие брикеты при высоком дав лении (1500—2000 кГ/см2).
В последние годы разработан новый способ брикетирования руд и концентратов без связующих веществ, основанный на спо собности их при нагреве до высоких температур (/ = 800—1050° С) переходить в более мягкие структурные формаций. В этом случае связывание рудных зерен в брикеты происходит вследствие их пластического течения, рекристаллизации и роста кристаллов, а зерна частично восстановленной руды спекаются под действием высокого нагрева и давления прессования. Степень восстановле ния руды, равная ~50% , является оптимальной для получения наиболее прочных брикетов. С повышением температуры нагрева руды в выше указанных пределах возрастает плотность и механи ческая прочность брикетов.
Для прессования используют обычные вальцовые прессы и вальцовые прессы с предварительной подпрессовкой материала.
В настоящее время испытывается способ термобрикетирования топливнорудных шихт, в состав которых входит руда (концентрат) и некоторые спекаю щиеся угли или торф. Последние при нагревании до определенных температур переходят в пластическое состояние и связывают рудные зерна.
Технические условия на поставку брикетов определяют в за висимости от свойств сырья, технологической схемы производства брикетов и требований потребителя.
К качеству железорудных брикетов предъявляются следующие
требования К |
брикетов на сжа- |
д л я д о м е н н о г о п р о це с с а : прочность |
|
1Справочник по обогащению и агломерации руд |
черных металлов. М., |
пзд-во «Недра», 1964. |
|
тие не менее 60 кГ/см2\ брикет не должен терять прочность при
нагревании |
до температуры |
900° С |
и размокать |
в |
воде; должен |
||
сохранять |
прочность в атмосфере |
перегретого |
(до |
температуры |
|||
150° С пара; иметь достаточную пористость |
(25—30%) |
и газопро |
|||||
ницаемость; размер брикетов 40—50 мм\ |
содержание |
железа не |
|||||
д л я м а р т е н о в с к о г о |
пр о ц е с с а : |
менее 62%; кремнезема не более 8%; прочих шлакообразующих не более 3%; содержание влаги не выше 2% (в том числе гидратной — до 5%); содержание фосфора и серы не более 0,03%; прочность на сжатие не менее 50 кГ/см2\ при двукратном сбрасы вании брикета на металлическую плиту с высоты 2 м не должно образоваться более 10% мелочи крупностью 5 мм\ при нагревании до температуры 1500° С в течение 3 мин брикет не должен раст рескиваться и разваливаться на куски; пористость не должна пре вышать 5—10%.
§ 2. Связующие вещества
Связующие вещества для брикетирования руд должны отве чать следующим требованиям:
не вносить вредных примесей в таких количествах, которые могут отразиться на качестве выплавляемого из брикетов металла (зола, сера, фосфор и т. д.);
не снижать значительно содержания металла в брикетах; не ухудшать качество брикетов при воздействии на них высо
ких температур (до 1600° С) в восстановительной и в окислитель ной средах;
не снижать восстановимости руды в брикетах; не ухудшать условий плавки брикетов, в частности не требо
вать дополнительного расхода флюсов.
Наибольшее распространение для брикетирования руд имеют— известь, чугунная стружка; растворимое стекло, цементы, различ ные комбинированные связующие материалы.
Известь
Известь наиболее часто применяется в качестве связующего при брикетировании руд.
Основные преимущества извести перед другими видами связу ющих веществ состоят в том, что сырье для ее получения — из вестняк имеет весьма широкое распространение, известь не вно сит вредных примесей в состав брикетной шихты, а при плавке брикетов она является флюсом.
В качестве связующего используется как гашеная, так и нега шеная известь.
При гашении извести происходит следующая реакция: СаО + Н20 = Са(ОН)2 + 15,5 ккал.
Поверхностные слои извести гидратируют под действием атмо сферной влаги при складском хранении, а образующийся слой гашеной извести подвергается постепенной карбонизации под дей ствием углекислого газа, содержащегося в воздухе. В связи с этим известь необходимо хранить только в закрытых складских поме щениях.
Процессы естественной карбонизации извести (на воздухе) протекают чрезвычайно медленно, так как содержание углекис лого газа в атмосфере не превышает 0,04%. Для ускорения це ментации брикетов с гашеной и негашеной известью используются процессы карбонизации и водотепловой обработки брикетов в ав токлавах.
Основной реакцией, превращающей известь в цементирующий материал в брикетах, является реакция перевода гидрата окиси кальция, при взаимодействии с углекислым газом, в карбонат кальция (углекислую известь) по реакции:
Са (ОН)2 + С02 СаС03 + Н20.
Эта реакция с упрочнением брикетов происходит при вылежи вании их на воздухе (естественная карбонизация) или при спе циальной обработке брикетов газами, содержащими повышенное количество углекислого газа (искусственная карбонизация).
Обычно, процесс искусственной карбонизации извести газами сопровождается одновременно и сушкой брикетов. Скорость суш ки — карбонизации должна строго регламентироваться в зависи мости от результатов опытных испытаний. Быстрая сушка приво дит к замедлению процесса, схватывания брикетов, так как интен сивный процесс карбонизации извести протекает только при опре деленном количестве влаги в шихте. Медленное протекание этих процессов, особенно при высоком содержании влаги в шихте при водит к торможению цементации брикетов, так как достижение оптимальной влажности задерживается.
При брикетировании с негашеной известью могут использо ваться концентраты с повышенной влажностью, так как при сме шении с концентратом известь гасится и отнимает избыточную влагу от концентрата.
Водотепловая обработка в автоклавах производится для бри кетов из руд, содержащих кремнезем. В этом случае гель крем незема взаимодействует с гидратом окиси кальция, образуя гид росиликат кальция, цементирующий структуру брикета.
Образование гидросиликата кальция проходит по реакции: Si02 + Jt Са (ОН)2 + п Н20 = х СаО• Si02 • (п + 1) Н20.
Автоклавная обработка брикетов производится при давлениях примерно 7—8 ати и температуре 174—175° С. Обычный расход извести при брикетировании руд составляет от 5 до 15%.
Чугунная стружка
'Способ брикетирования руд с мелкой чугунной стружкой и добавлением в брикетную шихту 0,5—1,0% поваренной соли основан на связующем действии окислов железа, образующихся в резуль тате коррозии чугунной стружки. Теоретические основы этого про цесса сводятся к следующему.
Железо, руда и электролит (соль и влага) образуют гальвано пары, действием которых железо разрушается (растворяется) с образованием продуктов коррозии. Скорость коррозии зависит от ряда факторов — потенциала и электропроводности руды, перена пряжения водорода на катодных участках, температуры, круп ности зерен руды и количества кислорода воздуха.
При образовании гальванопар железо играет роль анода, а ру да — роль катода. Благодаря сравнительно хорошей электропро водности руды, при образовании гальванопар, между стружкой н рудой образуется большая катодная поверхность, что способст вует интенсивному растворению стружки.
Наибольшей электропроводностью обладают магнитные же лезняки, поэтому при их брикетировании получается хорошая прониза нность и цементация рудных зерен продуктами коррозии и, естественно, повышенная прочность брикетов. В случае же брике тирования неэлектропроводных гидратных руд, коррозийные про цессы протекают менее интенсивно за счет примесей, имеющихся в самой стружке. В связи с этим, продукты коррозии, локализуясь около стружки, не пронизывают зерен всей руды и почти не це ментируют ее. При одинаковом содержании стружки в брикетной шихте прочность брикетов будет тем больше, чем мельче стружка, так как в этом случае образуется большее число коррозийных центров; а следовательно, и большая пронизанность зерен руды продуктами коррозии.
Значительное влияние на коррозийные процессы оказывает кислород воздуха, причем роль его здесь двоякая. С одной сто роны он, соединяясь с водородом, выделяющимся на катодных участках, деполяризует их, уменьшая перенапряжение, и тем са мым ускоряя процесс. С другой стороны, кислород, по мере пе рехода железа в раствор закионого железа, тормозит дальнейший его переход в ионную форму. Окисляя двухвалентное железо в трехвалентное, кислород способствует дальнейшему растворению железа. Необходимо отметить, что большое влияние на скорость коррозии и схватывание брикетов оказывают влажность и состав шихты, длительность приложения давления прессования, условия хранения брикетов и др.
Вместо чугунной стружки для брикетирования может приме няться и губчатое железо, получаемое из руды, частичным вос становлением ее до металлического железа. Применение губча того железа позволяет замкнуть процесс производства брикетов использованием одного материала — железной руды.
Губчатое железо, представляющее собой порошкообразный ме талл, имеет большую химическую активность и высокую хруп кость. Большая удельная поверхность хрупкого губчатого железа способствует эффективному протеканию процессов коррозии и со кращает расход железа, по сравнению с чугунной стружкой.
Растворимое стекло
Растворимое стекло представляет собой натриевый или ка лиевый силикат, состава Na20*/zSi02 или K20*nSi02. Водные ра створы растворимого стекла называются «жидким стеклом».
В практике брикетирования руд используют главным образом натриевое растворимое стекло. Процесс упрочнения брикетов за ключается в образовании, при тесном контакте щелочного сили ката с рудной мелочью или колошниковой пылью, железистого
силиката, который и является связующим веществом. |
пределах |
||||||
Состав |
растворимого стекла |
колеблется в широких |
|||||
и определяется соотношением |
кремнезема |
(Si02) |
и окиси натрия |
||||
(Na20), |
которое |
называется |
модулем |
растворимого |
стекла |
||
(табл. 44). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
44 |
|
|
|
Состав растворимого стекла |
|
|
|||
Модуль |
Плотность, |
NazO, % |
SiO ,, % |
н2о, % |
|||
г/см* |
|||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2,5 |
1,44 |
|
12,0 |
29,5 |
58,5 |
||
3 |
1,35 |
|
9,0 |
27,0 |
64,0 |
||
4 |
1,24 |
|
5,8 |
23,3 |
70,9 |
Условия упрочнения брикетов могут изменяться в зависимости от параметров брикетирования, модуля и количества в брикетной шихте растворимого стекла.
Упрочнение брикетов достигается путем их сушки (^= 150— 400° С) или обжига (£= 500—600° С). При этом происходит дегид ратация геля кремния растворимого стекла.
Расход растворимого стекла при брикетировании руд состав ляет от 3 до 6%. При вводе в брикетную шихту хлористого каль ция или другого электролита в количестве 0,55% расход раство римого стекла снижается до 1—2,5%.
Цементы
Цементы в ограниченных количествах применяют при брике тировании железных руд и колошниковой пыли.
В зависимости от сорта и марки портланд-цемента и физиче ских свойств руд, подвергаемых брикетированию, расход цемента
колеблется от 3,5 до 6% к весу руды. Удовлетворительные резуль таты получаются при совместном использовании в качестве свя зующего портланд-цемента с гидравлическими цементами при брикетировании зернистых кристаллических железных руд. Гли нистые и охристые железные руды перед брикетированием долж ны обжигаться.
Из известных типов цементов наиболее перспективным в каче стве связующего является бокситовый цемент, содержащий лишь около 8% кремнезема. Этот цемент содержит глинозем, благодаря чему повышается ценность шлака при металлургическом переде ле брикетов. Последний может быть использован в цементной промышленности.
Из смеси, содержащей 55% каустифицированного красного шлака и 45% известняка, после обжига при / = 250°С полу чается цемент, который при совместном измельчении с 4% гипсо вого камня показывает высокие цементирующие свойства (сопро тивление сжатию тюсле четырех часов твердения составляет 168 кГ/см2, после восьми часов — 224 кГ/см2). Химический состав
цемента: |
Fe20 3 — 25%; Si02— 9,15%; CaO— 43,9%; А120 3—* |
10,4% и |
др. |
Этот цемент достаточно быстро цементирует брикеты и может быть получен из редко употребляемых отходов производства, со держащих незначительное количество вредных примесей (Si02 до 8%); не требует дополнительных установок для дробления (от ходы производства тонко измельчены); температура обжига це мента ниже (1250—1300°С), чем температура обжига для полу чения портланд-цементов (1450°С).
Комбинированные связующие материалы
Комбинированные связующие для брикетирования руд получили сравни тельно ограниченное практическое применение.
Составные части, входящие в комбинированное связующее, должны обла дать несовпадающими температурными интервалами размягчения, легко смеши ваться или растворяться, способствовать быстрой цементации брикетов и отвечать всем остальным требованиям, предъявляемым к связующим для брикетирования руд и топливно-рудных шихт. В качестве комбинированных связующих приме няются известь и углекислота, каустический магнезит и сульфитные щелока, из весть и пирит и др.
§ 3. Технологическое оборудование
Руда (концентрат) поступает на брикетную фабрику, в боль шинстве случаев, подготовленная по крупности, поэтому дробиль но-сортировочные отделения предусматриваются на фабриках в основном лишь для подготовки связующих материалов.
На некоторых фабриках, брикетирующих руды цветных метал лов, предусматривается установка грохотов и дробилок, работаю щих в замкнутом цикле. Так, на Медногорском комбинате, брике тирующем медную руду, для рудной мелочи и брикетных отходов
^ращения барабана. В связи с этим каждый раз, когда один из роликов входит в паз, происходит вращение стола, пока ролик не выходит из винтообразной части паза. Стол останавливается, когда ролик выходит из паза. При входе в паз следующего оче редного ролика, барабан опять начинает вращать стол и т. д.
Рис. 164. Столовый пресс с горизонтальным вращающимся формовочным столом
Во время паузы в движении стола происходит прессование бри кетной шихты в одной из пресс-форм и выталкивание готового брикета из диахМетрально противоположной формы.
Прессующий механизм состоит из двух парных рычагов, — верхнего 4 и нижнего 5, к которым шарнирно прикреплены прес сующие штемпели 6 ,7 и выталкивающий штемпель 5. Рычаги свя заны между собой тягой 9 через плунжер гидравлического ци
линдра 10. Нижний рычаг качается на оси 11, закрепленной на
раме пресса, а верхний |
рычаг — на оси |
12, к |
которой |
подвешен |
также верхний штемпель. |
с кривошипом |
14 на |
барабане, |
приводит |
Шатун 13, связанный |
в движение верхний рычаг. При ходе рычага вниз его прессую щий штемпель входит сверху в пресс-форму и, когда встречаемое им при этом сопротивление сжатию брикетной шихты достигает определенной величины, рычаг поворачивается вокруг оси и тя нет вверх тягой 9 нижний рычаг со штемпелем, который входит снизу в пресс-форму. Таким образом происходит двустороннее прессование брикетной шихты. Одновременно второй верхний штемпель выталкивает готовый брикет на наклонный желоб 15.
При ходе верхнего рычага вверх его штемпель выходит из пресс-формы. Нижний рычаг со штемпелем в это время оттягива ется вниз пружиной 16.
Формовочный стол после каждого цикла прессования совер шает поворот и подставляет под штемпели очередную пресс-фор му с брикетной шихтой.
Барабан, приводящий в движение формовочный стол и .прес сующий механизм пресса, вращается от привода через зубчатое колесо 17, сидящее на одном валу с барабаном.
Столовые прессы развивают давление прессования до 400кГ/см2. Производительность их — до 12 т/ч (по угольной брикетной шихте). Обычно эти прессы используются для производства брикетов ве сом 4—5 кг.
Для упрочнения рудных брикетов используют, в зависимости от способа их обработки, автоклавы непрерывного или периоди ческого действия, карбонизационные камеры с ленточными кон вейерами, устройства для подсушки и термообработки брикетов и др.
§ 4. Технологические схемы брикетных фабрик
Руды и концентраты черных и цветных металлов различны по своим свойствам. Все они, за исключением рыхлых, глинистых разновидностей, обладают большой твердостью. Под действием давления прессования руды уплотняются незначительно, но име ют большую величину упругого расширения и поэтому без до бавки к ним связующих веществ или без специальной обработки брикеты из них получаются слабыми даже при применении высо ких давлений прессования. Исключение составляют бедные руды с высоким содержанием глины, которые в некоторых случаях бри кетируют и без связующих веществ.
Основное отличие существующих технологических схем брике тирования руд черных и цветных металлов со связующими веще ствами заключается в способе обработки брикетов для их упроч нения.