книги / Металлургия, технология угля и неметаллических полезных ископаемых

Глава 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

тие не менее 60 кГ/см2\ брикет не должен терять прочность при

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

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

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

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.