Безобжиговое окускование полидисперсных железных руд с использованием связующих веществ

Корнев, Антон Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Безобжиговое окускование полидисперсных железных руд с использованием связующих веществ
ВАК РФ 25.00.13, Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Безобжиговое окускование полидисперсных железных руд с использованием связующих веществ"

На правах рукописи

КОРНЕВ Антон Владимирович

БЕЗОБЖИГОВОЕ ОКУСКОВАНИЕ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЯЗУЮЩИХ

ВЕЩЕСТВ

Специальность 25.00.13 - Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

8 АВГ 2013

005532016

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Кусков Вадим Борисович

Официальные оппоненты:

Гершенкоп Александр Шлемович

доктор технических наук, профессор, ФГБУН Горный институт Кольского научного центра РАН, главный научный сотрудник

Губин Сергей Львович

кандидат технических наук, ОАО «Михайловский горнообогатительный комбинат», главный обогатитель

Ведущая организация - ЗАО «Механобр инжиниринг»

Защита состоится 23 сентября 2013 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд.1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 26 июля 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ХАр^-БРИЧКИН

диссертационного совета Вячеслав Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Черная металлургия является одной из ведущих отраслей промышленности России, динамическое развитие которой во многом определяет состояние экономики страны в целом. Важнейшим сырьем для выплавки чугуна и стали являются железные руды, которые в зависимости от содержания основного ценного компонента могут быть использованы в металлургических процессах после обогащения или без него.

В железорудном секторе России наряду с преобладающими железистыми кварцитами, магнетитовыми и титаномагнетитовыми рудами, которые характеризуются сравнительно невысоким содержанием железа (не более 40 %), имеются и богатые руды со средним содержанием железа 60 %. На их долю приходится порядка 12,4 % всех запасов страны. Примером таких руд являются железнослюдково-мартитовые, мартито-гидрогематитовые и гидрогематито-гидрогетитовые руды Яковлевского месторождения с объемом разведанных запасов 9,6 млрд. тонн. Руды отличаются высоким содержанием железа (более 60 %), низким содержанием вредных примесей (серы, фосфора и др.), но при этом они рыхлые, полидисперсные и нуждаются в окусковании.

Вопросом окускования железных руд, в том числе методом брикетирования, занимались такие ученые как: И.Ф. Курунов, Б.М. Равич, JI.A. Лурье, М.Ф. Ортин, Н.Г. Тюренков, H.A. Ярхо, С.Н. Толчинский, А.П. Фоняков, Г. Грендаль, JI. Юзбашев и др.

Несмотря на проведенные ранее исследования, до сих пор не предложено экономически эффективных технологических решений по окускованию богатых рыхлых полидисперсных железных руд, позволяющих получить высококачественный кусковой продукт, а также широко применяемых на практике.

Работа выполнена в рамках договора х/д 10044 от 15.07.2010 г. с Минобрнауки России по комплексному проекту № 13.G25.31.0007 «Комплексное использование природных ресурсов Яковлевского месторождения богатых железных руд для развития высокотехнологичного производства и выпуска продукции широкой номенклатуры» от 07.09.2010 г.

Цель работы. Научное обоснование и разработка рационального технологического режима окускования полидисперсных железных руд.

Идея работы. С целью снижения затрат, а также выброса твёрдых и газообразных веществ в атмосферу, полидисперсные железные руды с низким содержанием вредных примесей следует подвергать окускованию методом безобжигового брикетирования с использованием связующих веществ в установленном технологическом режиме.

Основные задачи исследования:

- анализ существующих способов окускования железных руд;

- изучение вещественного состава и физических свойств проб богатых полидисперсных железных руд Яковлевского месторождения;

- экспериментальное изучение брикетируемости полидисперсных железных руд;

- определение рационального технологического режима брикетирования полидисперсных мартито-гидрогематитовых руд;

- разработка технологической схемы и схемы цепи аппаратов технологии безобжигового окускования полидисперсных железных руд методом брикетирования;

- экономическая оценка предлагаемого технологического решения по окускованию полидисперсных железных руд безобжиговым методом.

Методы исследований. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Для изучения вещественного состава и физических свойств железных руд применялись ситовой, рентгенофлуоресцентный и методы классического химического анализа. При исследовании руд на брикетируемость и экструдируемостъ для оценки качества получаемых брикетов и экструдатов использовались физико-механические методы, а для определения возникающих в брикете напряжений - метод численного моделирования, реализованный посредством программного комплекса «Simulia Abaqus». Для обработки экспериментальных данных были использованы методы математической статистики и стандартная компьютерная программа «Microsoft Excel».

Научная новизна:

- доказано, что при давлении прессования до 100 МПа получение из полидисперсных мартито-гидрогематитовых руд холоднопрессованных брикетов с требуемыми для использования в составе доменной шихты свойствами без применения связующих веществ невозможно;

- выявлено, что добавка в брикетируемую шихту гидрогематитовой руды в количестве 10-20 % способствует повышению прочностных свойств получаемого кускового материала в 1,3-2 раза, что объясняется наличием в руде гидроокислов железа и глинистой составляющей;

- установлено, что при использовании в качестве связующего 2,5 %-ного раствора карбоксиметилцеллюлозы в количестве 8 % прочность железорудных брикетов повышается в 2,5-3,7 раз, что обусловлено увеличением сил межмолекулярного взаимодействия за счет снижения величины поверхностного натяжения;

- доказано, что железорудные брикеты, имеющие округлую форму и небольшую массу (до 50-60 г), наиболее устойчивы к разрушению при падении, что подтверждается наименьшей величиной возникающего в момент удара сжимающего напряжения;

- установлены зависимости физико-механических свойств железорудных брикетов (прочности на одноосное сжатие, на истирание, на сбрасывание и др.) от ряда факторов (состава и крупности шихты, давления прессования, вида и расхода связующего, температуры сушки), что позволило определить параметры рационального технологического режима окускования богатых полидисперсных железных руд.

Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы для применения на фабриках по окускованию богатых полидисперсных железных руд, в частности на ООО «Металл-групп» Яковлевский рудник, а также могут быть использованы при чтении лекционных курсов и проведении лабораторных занятий по дисциплинам: «Основы

обогащения полезных ископаемых», «Основы переработки минерального сырья», «Основы безотходной технологии» и др.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается значительным объемом аналитических и экспериментальных исследований, величиной относительной погрешности проведенных опытов - не более 5 %, не менее 85 % сходимостью результатов опытно-промышленных и промышленных испытаний с лабораторными данными, применением современных средств измерений, использованием стандартных и отраслевых методик, а также современных методов анализа и обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы освещались на IX конгрессе обогатителей стран СНГ (МИСиС, г. Москва, 2013 г.), на 9 международной молодежной научной школе «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (ИПКОН РАН, г.Москва, 2012г.), на международном форуме горняков и металлургов (Ти ВАР, г. Фрайберг, Германия, 2012 г.), на международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам» (УГГУ, г. Екатеринбург, 2012 г.), на 52-ой международной научной конференции (АвН, г. Краков, Польша, 2011 г.) и др.

Личный вклад автора состоит в обзоре и анализе существующих технологий и способов окускования железных руд, обосновании направлений и методов решения поставленных задач, разработке методик, проведении лабораторных исследований, участии в проведении опытно-промышленных и промышленных испытаний, обработке и анализе полученных результатов, формулировании основных научных положений и выводов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России и 2 патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и 6 приложений. Работа изложена на 199 страницах машинописного текста, содержит 45 таблиц и 39 рисунков. Библиография включает 131 наименование.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, кандидату технических наук, доценту В.Б. Кускову; сотрудникам кафедр «Обогащение полезных ископаемых» и «Строительство горных предприятий и подземных сооружений» Горного университета за ценные советы, содействие в проведении экспериментальных исследований и поддержку на различных этапах выполнения диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель и поставлены задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость результатов, приведены основные защищаемые научные положения.

В первой главе дана краткая характеристика железорудной базы России, представлен обзор и анализ существующих технологий и способов окускования железных руд, а также рассмотрены основные связующие вещества, используемые при брикетировании.

Во второй главе дана общая характеристика железных руд Яковлевского месторождения и приведены результаты исследований по изучению вещественного состава и физических свойств отобранных проб. Произведен выбор и обоснование способа окускования богатых полидисперсных железных руд.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных лабораторных исследований по изучению брикетируемости богатых полидисперсных мартито-гидрогематитовых руд Яковлевского месторождения. Определены параметры рационального технологического режима окускования (влажность, крупность и состав шихты, расход связующего, давление прессования и др.).

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных лабораторных исследований физико-механических и металлургических свойств полученных железорудных брикетов, а также результаты экструдирования рыхлых мартито-гидрогематитовых руд.

В пятой главе представлены технологическая схема и схема цепи аппаратов технологии безобжигового окускования полидисперсных железных руд методом брикетирования и приведена экономическая оценка предлагаемого технологического решения.

В заключении изложены основные выводы и результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. С целью снижения затрат и уменьшения экологического воздействия на окружающую среду окускование полидисперсных железных руд с низким содержанием вредных примесей (в < 0,3 %, Р < 0,15 %, 8Ю2< 8 %) следует осуществлять методом безобжигового брикетирования с использованием связующих веществ.

С целью обоснования выбора способа окускования полидисперсных железных руд Яковлевского месторождения были изучены вещественный состав и физические свойства отобранных проб мартитовой и гидрогематитовой руд.

Согласно данным ситового анализа, представленным на рисунке 1, количество мелочи (класса -5+0 мм) в исследованных пробах превышает 75 %, что свидетельствует о

невозможности использования данных руд в металлургическом переделе без предварительного

окускования.

В результате проведения химического анализа руд было выявлено, что железо распределено по классам крупности неравномерно: в более мелких классах его содержание выше, и наоборот. Полученные данные представлены на рисунке 2.

Среднее содержание железа в мартитовой руде не менее 64 %, в гидрогематитовой - не менее 58 %, в классе -5+0 мм - 66,01 % и 60,03 % соответственно. В связи с этим, данные руды могут быть использованы для выплавки чугуна без обогащения.

Невысокое содержание основных вредных примесей в исследуемых рудах (Б < 0,054, Р205 < 0,04, 5Ю2 < 2,45 - в мартитовой

0 5 10 15 20 Крупность, мм -•-Гидрогематитоваяруда -»-Мартитоваяруда

Рисунок 1 - Характеристики крупности дробленной мартитовой и гидрогематитовой РУДЫ

руде, Б < 0,063, Р205 < 0,06, 8Ю2 < 6,37 - в гидрогематитовой) позволяет окусковывать их безобжиговыми методами.

Если в качестве

а 70

^ 68

»* 6Л

ё 64

I 62

й 60

§ 58

£ 56

* 54

& 52

§ 50

и 48

41 -

- ; -

-1

]

XV . Л

Ь ¿5 гЬ

Vх А». Л'>

X Xй ^

Класс крупно сти, мм ■ В гидрогематитовой руде ~ В мартитовой руде

Рисунок 2 - Распределение железа по классам крупности

метода окускования

выбрать окомкование, то более 70 % мартитовой и 90 % гидрогематитовой руды необходимо

предварительно раздробить и измельчить до крупности -0,074 мм. Потребуется установка ряда дополнительного оборудования, что

усложнит процесс

производства окатышей и увеличит их себестоимость. С учетом дополнительных затрат на обжиг сырой продукции, применение этого способа окускования в данном случае можно считать экономически неоправданным.

Для окускования полидисперсных железных руд путем агломерации необходима установка агломашин, которые требуют значительных эксплуатационных затрат. Для обеспечения агломерационных машин более дешевыми коксовым и доменным газами необходимо строительство целого металлургического комплекса, включающего собственное коксовое производство и доменную печь. Это потребует дополнительных огромных капиталовложений, а с учетом расположения рудника в черноземном районе страны и запланированным производством минеральной воды и лечебных грязей будет практически невозможно осуществить с экологической точки зрения. Как известно, доля аглофабрик в выделении пыли составляет 17 %, оксидов серы - 46 %, оксидов азота - 20 %, оксидов углерода - 55 % от общих выбросов черной металлургии. Запыленность газов агломерационного производства равна 1-7 г/м3. Выход пыли составляет 2,5-3,0 % от массы шихты. Объем газов равен 2500 м3/т шихты. Так как получаемый агломерат

имеет невысокую прочность, то становится актуальным вопрос о поиске ближайших потенциальных потребителей данного вида сырья.

Как агломерация, так и окомкование с последующим обжигом сырых окатышей являются энергонерациональными способами окускования, так как сначала материал нагревается до высоких температур (свыше 1200 °С), затем охлаждается, а при плавке в металлургической печи снова подвергается высокотемпературному воздействию. Сравнительная оценка основных затрат на окускование мартито-гидрогематитовых руд различными способами при производительности 300 тыс. т окускованного продукта в год приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Основные затраты на окускование полидисперсных железных руд

Энергоресурсы и сырье Затраты по основным операциям, млн. руб.

Агломерация Окомкование Брикетирование

Электроэнергия 23,188 18,485 3,105

Природный газ 3,136 12,545 0,784

Коксовый газ 0,326 - -

Доменный газ 1,175 - -

Рудное сырье 835,200 978,750 870,000

Кокс 555,750 - _

Бентонит - 90,000 -

Известняк 12,750 12,900 -

Связующее (КМЦ) - - 8,460

Итого 1 431,525 1 112,680 912,349

Таким образом, с учетом затрат на процесс окускования и экологического воздействия на окружающую среду, богатые полидисперсные мартитовые и гидрогематитовые руды Яковлевского месторождения целесообразно подвергать брикетированию, исключая любую высокотемпературную обработку исходного сырья или сырого окускованного продукта.

В качестве основной области применения железорудных брикетов рассматривается их использование в составе шихты для доменного процесса. К качеству сырья для переработки его в доменной печи предъявляются требования как по химическому

составу, так и по физико-механическим и металлургическим свойствам. Основные требования приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Требования к свойствам железорудных брикетов для доменного использования

Наименование параметра Требуемое значение

Предел прочности на одноосное сжатие, М11а не менее 5,8 - 6,0

Осыпаемость, % не более 10

Прочность брикетов на сбрасывание, % не менее 90

Прочность брикетов на истирание, % не менее 90

Сопротивление истиранию, % не более 10

Пористость, % не менее 10

Температура размягчения, °С не ниже 1000

Интервал размягчения, °С не более 200

Восстановимость, % не менее 90

Одним из главных оценочных параметров прочностных свойств получаемых брикетов является предел прочности на одноосное сжатие.

Для проведения опытов изготавливались железорудные брикеты цилиндрической формы, которые после предварительной сушки испытывались на одноосное сжатие на установке немецкой фирмы «Toni-Technik». Величина этого показателя зависит от ряда факторов: крупности, влажности и минералогических особенностей используемой для брикетирования руды, давления прессования и др.

Главным фактором, влияющим на прочностные свойства железорудных брикетов, является наличие или отсутствие в шихте связующих веществ. Добавка вяжущих не всегда желательна по ряду причин: она усложняет и удорожает технологический процесс, способствует внесению в брикет посторонних примесей, тем самым снижая содержание в нем железа и др. Однако без нее в большинстве случаев невозможно получение прочного кускового продукта с необходимыми физико-механическими характеристиками.

С целью изучения брикетируемости мартитовой и гидрогематитовой руды без добавки вяжущих был проведен ряд экспериментов. Из увлажненной смеси 85 % мартитовой и 15 % гидрогематитовой руды крупностью -5+0 мм были произведены брикеты, которые после сушки испытывались на одноосное сжатие.

Средний предел прочности на сжатие при давлении прессования 20 МПа составил асж = 1,84 МПа, при давлении 40 МПа -асж = 3,05 МПа, при давлении 80 МПа - осж = 4,04 МПа, при давлении 100 МПа - асж = 4,36 МПа. Изучение дополнительных механических свойств брикетов, полученных без использования вяжущих, не дало положительных результатов: осыпаемость - 28,43 %, прочность на сбрасывание - 29,47 %, прочность на истирание - 53,65 %, сопротивление истиранию - 37,38 %.

Полученные значения показателей значительно ниже регламентируемых, что свидетельствует о невозможности получения холоднопрессованных железорудных брикетов требуемого для доменного процесса качества без применения связующих веществ.

2. Для обеспечения рационального технологического режима, позволяющего получить железорудные брикеты с требуемыми для доменного использования свойствами, брикетирование полидисперсных железных руд следует вести на шихте с крупностью рудной части -5+0 (-10+0) мм с добавкой 1015 % гидрогематитовой руды и 2-2,5 %-ного раствора карбоксиметилцеллюлозы при давлении прессования не более 40 МПа с последующей сушкой сырых брикетов при температуре 30-60°С.

При разработке рационального технологического режима окускования полидисперсных железных руд основной задачей являлось установление параметров, обеспечивающих получение высококачественного кускового продукта при сравнительно невысоких затратах. С этой целью были проведены исследования по изучению брикетируемости полидисперсных мартито-гидрогематитовых руд с использованием связующих веществ. При этом было изучено влияние соотношения типов руд в шихте и ее крупности, давления прессования, видов связующих и их расходов, температуры сушки сырых брикетов и других параметров на физико-механические свойства железорудных брикетов, для оценки которых использовался в основном предел прочности на одноосное сжатие.

По результатам исследований установлено, что добавка гидрогематитовой руды в шихту улучшает прочностные свойства

получаемых брикетов, но приводит к снижению содержания в них железа. Полученные зависимости показаны на рисунке 3.

68,0

а)

0 5 10 15 20 Содержание гидрогематитовой руды в шихте, %

б)

О 5 10 15 20 Содержание гидрогематитовой руды в шихте, %

Рисунок 3- Зависимость прочности брикетов (а) и содержания железа (б) от количества гидрогематитовой руды в шихте

Влияние соотношения руд в шихте изучалось на брикетах, полученных с использованием в качестве связующего 2,5 %-ного раствора карбоксиметил целлюлозы (КМЦ). Исходя из представленных результатов, рациональным в данном случае следует считать следующий состав рудной части брикетируемой шихты: 1015 % гидрогематитовой руды и 90-85 % мартитовой.

Для изучения влияния гранулометрического состава шихты на прочностные свойства получаемых железорудных брикетов были проведены эксперименты с использованием смеси 85 % мартитовой и 15 % гидрогематитовой руды следующих классов крупности: -1+0 мм, -3+0 мм, -5+0 мм, -10+0 мм, -20+0 мм.

Результаты исследований представлены на рисунке 4. Для получения кондиционных по прочности брикетов (осж не менее 5,8 МПа), можно использовать руду практически любого класса крупности (от -1+0 мм до -20+0 мм). Однако, целесообразно

изготавливать брикеты из класса -5+0 мм или -10+0 мм. Именно в этом случае достигается более полное

10.0

ёс 9,5

о £ 9.0

о. н

= 3

с: гч

и о Я <;

И и

8.0

п.

7.5

-1+0 -3+0 -5+0 -10+0 -20+0 Крупность брикетируемой шихты,мм ж При использовании 2,5% КМЦ

» При использовании бентонита с активизирующими добавками

Рисунок 4 - Зависимость прочности брикетов от крупности шихты

использование рудного сырья и максимальная прочность окускованного продукта со средним содержанием железа.

Опытным путем было установлено, что влажность шихты должна быть от 8 % до 12 %. При избытке влаги ухудшается формуемость смеси, происходит размягчение прессуемого материала и залипание его в пресс-форме. При влажности менее 8 % не происходит равномерного перемешивания компонентов шихты, затрудняется образование структурных связей, вследствие чего прочность брикетов не соответствует предъявляемым требованиям.

В ходе исследований было также установлено, что при увеличении давления прессования вследствие сближения частиц и более плотной их упаковки прочность брикетов возрастает. Были проведены параллельные серии экспериментов по испытанию железорудных брикетов, произведенных при различных давлениях прессования, на одноосное сжатие. В первой серии опытов в качестве связующего был использован портландцемент марки М-400 в количестве 5 %, во второй серии - комбинированное связующее «Смесь № 3», включающее 2,9 % КМЦ, 93,3 % Н20, 3,8 % бентонита, и в третьей - 2,5 % раствор КМЦ. Температура сушки сырых брикетов, полученных при использовании портландцемента, составляла 1= 18±2°С, в остальных случаях - 1=105±5°С. Полученные результаты представлены на рисунке 5.

§ 17 я 16

Й 5 15 § 2 И > о" 13

о а 12 & | п я п 10

и и п

Я « 9

1) о о

О. Я О

с о 7

1 § 6

я £ 5

3 з

О) о Он

< г"'

1 г"

20 40 60 80 100 120 Давление прессования, МПа ♦ при использовании 5 % портландцемента ■ при использовании смеси № 3 А при использовании 2,5 %-ного раствора КМЦ

Рисунок 5 - Влияние давления прессования на прочность железорудных брикетов

рекомендуется прикладывать

Из приведенных графических данных

отчетливо видно, что при давлении прессования 20 МПа достигается

достаточная для дальнейшей транспортировки и металлургической переработки прочность брикетов. Для некоторого запаса прочности при использовании в качестве связующего КМЦ

несколько большее давление.

Применение более высоких давлений (более 40 МПа) для брикетирования мартито-гидрогематитовых руд нецелесообразно.

Исследование влияния различных видов связующих показало, что при температуре сушки 1=105+5 °С лучшие результаты получены при использовании мелассы, бентонита, раствора КМЦ и комбинированных связующих на их основе. Брикеты с такими вяжущими как красный шлам, жаропрочный цемент, а также с комбинированным связующим, включающим более 5 % бентонита и 1 %-ный раствор КМЦ, не выдержали испытаний (осж<5МПа). Расход бентонита и КМЦ (в пересчете на сухое активное вещество) целесообразно принимать 2 % и 0,2-0,25 % соответственно. При меньшем расходе не достигается необходимая прочность. При естественных условиях сушки весьма прочные брикеты (осж>10МПа) получены при использовании портландцемента, раствора КМЦ и бентонита с хлоридом железа и энзимом. Выбор температуры сушки сырых брикетов зависит от вида используемого связующего, продолжительности процесса и затрат на него. Как показали исследования, при использовании, например, бентонита предпочтительна температура сушки порядка 105±5°С. При снижении температуры сушки прочность брикетов снижается. И, наоборот, при использовании раствора КМЦ, портландцемента или бентонита с активизирующими добавками (хлоридом железа и энзимом) предпочтительна сушка при более низких температурах (60°С и менее) или в естественных условиях. Результаты исследований показаны в таблице 3.

Таблица 3 - Влияние температуры сушки брикетов на их прочность

Вид использованного связующего Средний предел прочности на одноосное сжатие, МПа при температуре сушки:

18±2°С 35±5°С 60±5°С 105±5°С

2,5 % р-р КМЦ 11,32 10,71 9,40 7,61

2 % бентонита 6,89 8,65 9,53 10,30

2 % бентонита, 1 %-ный р-р хлорида железа, энзим 11,40 12,05 9,29 5,70

5 % портландцемента 13,62 11,21 8,52 4,33

При выборе режима сушки необходимо учитывать и ее продолжительность. Так, время сушки брикетов с КМЦ массой около 45 г в естественных условиях доходит до 5-6 суток, при 1=35+5°С составляет около 24 ч, при 1=60+5°С -8 ч, при 1= 105+5 °С - 4-4,5 часа. Сушку железорудных брикетов, полученных с использованием указанных связующих веществ, целесообразно проводить при средних температурах (30-6СГС).

Для математического описания установленной зависимости прочности брикетов на одноосное сжатие (при использовании раствора КМЦ) от количества мартитовой руды в шихте, расхода связующего, давления прессования и температуры сушки может быть использовано регрессионное уравнение следующего вида:

ст = 93,164 - 1,787 ■ г +0,009 -у1 + 21,883 у - 20,392 -у1 +

сж ' март ' март ' св 'ев

+ 0,122 р,тесс -0,001 • р2 -0,044 -Т

' * пресс ' пресс ' 1 суш

где осж - предел прочности на одноосное сжатие, МПа; умарт. -массовая доля мартитовой руды, %; усв. - расход КМЦ (в пересчете на сухое активное вещество), %; Риресс - давление прессования, МПа; Тсуш. - температура сушки, "С.

Коэффициент корреляции составил 11=0,994, коэффициент детерминации - Я2=0,988. Модель прошла проверку на адекватность.

С целью изучения влияния формы и размеров железорудных брикетов на их прочностные свойства были испытаны на осыпаемость брикеты в форме «большой подушечки», «чечевицы» и «малой подушечки» (рисунок 6).

а)ИЬ_ б) ' в)

Рисунок 6 - Формы испытанных брикетов: а) - «большая подушечка» (ш=110 г); б) - «чечевица» (т=60 г); в) - «малая подушечка» (т~30 г)

Б, Мт. Рппс1ра1

(АуВ: 75%)

Г +7.955е+05

- +2.900е+05

- -2.156е+05

- -7.211е+05

- -1.227е+06

- -1.732е+06

- -2.238е+06

- -2.743е+06

- -3.249е+06

- -3.754С+06

- -4.260е+06

- -4.765е+06

- -5.271с+06

1- -5.776е+06

в, Мт. Ргтс1ра1

(Ауе: 75%)

Г +2.340с+05

- -Т307е+05

- -4.953е+05

- -8.600С+В5

- -1.225е+06

- -Т.589е+06

- -1.954е+06

- -2.319е1 06

- -2.683с+06

- -3.048е+06

- -3.412е+06

- -3.777е106

Ь -4.142С+06

0,2 0,4 0,6 Время, с

Узел №286 —Узел №283 —Узел№ 120 -Узел №289

) 0,2 0,4 0,6 0,8

Время, с

Рисунок 7 - Результаты компьютерного моделирования а) - для «большой подушечки»; б) - для «чечевицы»; в) - для «малой подушечки»: 1 - изохромы наименьших главных напряжений; 2 - модель брикета с нанесенной сеткой конечных элементов; 3 - поперечный разрез модели;

4 - продольный разрез модели; 5 - кривая развития главных напряжений во времени

5, №п. Рпппра! (Ачс; 75%; +3.996е+05 +6.861е+04 -2.624е+05 -5.934Э+05 -9.2453+05 -1.2559+06 -1.587е+0б -1.918е+0б -2.2495+06 -2.580г+06 -2.911а+06 -3.2423 + 06 -3.5739+06

Узел №136 Узел № 145 Узел №367 —Узел № 380

0,4 Время, с

Размеры брикетов (ДхШхВ) в форме «большой подушечки» составляют 40x36,3х30-г35 мм, «малой подушечки» 24,3x22,6x20-^25 мм. Диаметр «чечевицы» - 35,0 мм, высота -23,5-^28,5 мм. Было установлено, что чем меньшую массу и более округлую форму имеет брикет, тем он более устойчив к разрушающему воздействию при падении.

Осыпаемость брикетов составила соответственно 25,86 %, 7,41 % и 6,65 %. Данную зависимость подтверждают и результаты компьютерного моделирования в программном комплексе «БтиНа Abaqus»: в «большой подушечке» величина возникающих при ударе сжимающих напряжений значительно больше, чем в «малой подушечке» и «чечевице», и составляет 5,77 МПа, 3,57 МПа и 4,14 МПа соответственно (рисунок 7).

Из всех исследованных связующих веществ наиболее предпочтительно применение 2,5 %-ного раствора

карбоксиметилцеллюлозы. КМЦ представляет собой продукт взаимодействия целлюлозы с монохлоруксусной кислотой и описывается химической формулой [С6Н702(ОН)3.Х(ОСН2СООН)Х]П. Она не меняет вязкость в течение длительного времени, обладает устойчивыми стабилизирующими и связывающими свойствами, физиологически безвредна. За счет ее невысокого расхода в брикет вносится минимальное количество посторонних примесей и снижение содержания железа минимально.

С целью всесторонней оценки качества железорудных брикетов с КМЦ помимо предела прочности на одноосное сжатие и осыпаемости был изучен ряд других физико-механических и металлургических свойств. Для проведения испытаний брикеты изготавливались наиболее предпочтительной подушечкообразной формы массой около 30 г. Температура сушки составляла 60±5°С. В ходе исследований были определены следующие свойства: прочность на сбрасывание - 93,91 %; прочность на истирание - 94,68 %; сопротивление истиранию - 3,97 %; пористость - 18,39 %; температура размягчения - 132ГС; интервал размягчения - 104°С; восстановимость - 90,79 %. Испытанные брикеты удовлетворяют по предъявляемым требованиям и могут быть использованы в составе доменной шихты. В качестве альтернативных связующих можно

применять бентонит с активизирующими добавками (энзимом и раствором хлорида железа), мелассу или портландцемент.

Также были проведены исследования, в ходе которых установлена возможность экструдирования полидисперсных мартито-гидрогематитовых руд при использовании связующих веществ. Средний коэффициент прочности полученных экструдатов - не ниже 1,3 кг/мм при допустимом значении 0,9-1,0 кг/мм, прочность на сбрасывание и на истирание - не менее 90 %, сопротивление истиранию - не более 5 %.

С учетом установленных технологических параметров для окускования полидисперсных железных руд безобжиговым методом может быть рекомендована технологическая схема, включающая следующие основные операции: прием в бункерный склад и грохочение мартитовой и гидрогематитовой руд по классу 5 мм, их дозирование и смешивание с приготовленным связующим, прессование полученной шихты, грохочение сырых брикетов и их сушку, грохочение брикетов после сушки, подачу готовой продукции в накопительный бункер для последующей загрузки в ж/д вагоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе представлено решение актуальной задачи - разработки рационального технологического режима окускования полидисперсных железных руд.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Доказано, что богатые полидисперсные железные руды экономически целесообразно окусковывать безобжиговыми методами, в частности, подвергать брикетированию.

2. Доказано, что получить холоднопрессованные брикеты из полидисперсных мартито-гидрогематитовых руд с требуемыми для доменного использования физико-механическими и металлургическими свойствами при давлении прессования до 100 МПа возможно только при использовании связующих веществ.

3. Экспериментально установлены параметры рационального технологического режима окускования богатых полидисперсных железных руд: состав шихты - 85-90 % мартитовой и 10-15 %

гидрогематитовой руды; крупность рудной части шихты -5+0 (10+0) мм; влажность шихты - 8-12 %; давление прессования - не более 40 МПа; расход связующего - не более 3-5 % (при использовании КМЦ - 0,25 %); температура сушки сырых брикетов - 30-60°С.

4. Показано, что зависимость предела прочности брикета на одноосное сжатие от ряда технологических факторов может быть описана регрессионным уравнением второго порядка. Наиболее значимое влияние на рассматриваемый параметр оказывает расход связующего (при использовании карбоксиметилцеллюлозы).

5. Разработана компьютерная модель поведения железорудного брикета при падении, позволяющая по возникающим в брикете в момент удара напряжениям судить о влиянии формы и размера брикета на его прочность.

6. Ожидаемый годовой экономический эффект от предлагаемого в работе технологического решения по безобжиговому окускованию полидисперсных железных руд при производительности 300 тыс. тонн брикетов в год по сравнению с агломерационным производством составит 306,3 млн. руб., по сравнению с производством окатышей - 46,1 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кусков В.Б. Особенности подготовки богатых железных руд к металлургической переработке / В.Б. Кусков, Я.В. Кускова, A.B. Корнев // Записки Горного института. - 2013. -Том 202. - С. 126-131.

2. Корнев A.B. Исследование влияния параметров брикетирования на физико-механические свойства железорудных брикетов // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2012. -№12. -С. 154-156.

3. Кусков В.Б. Подготовка железосодержащих материалов к металлургической переработке / В.Б. Кусков, Я.В. Кускова, A.B. Корнев // Обогащение руд. - 2011. - № 5. - С. 38-40.

4. Корнев A.B. Изучение брикетируемости железосодержащих руд / A.B. Корнев, В.Б. Кусков // IX Конгресс обогатителей стран СНГ. Сборник материалов. Том I. - М.: МИСиС - 2013. - С. 301-303.

5. Корнев А.В. К вопросу об окусковании богатых железных руд / А.В. Корнев, В.Б. Кусков // Международная научно-практическая конференция «Уральская горная школа - регионам»: сборник докладов. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ. - 2012. - С. 325-326.

6. Корнев А.В. Изучение возможности получения брикетов из богатых железных руд / А.В. Корнев, В.Б. Кусков // XLI Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции с международным участием: Часть VI. 3-8 декабря 2012 г. - СПб: СПбГПУ - 2012. - С. 45-47.

7. Корнев А.В. Использование различных видов связующих для брикетирования железосодержащих руд / А.В. Корнев, В.Б. Кусков // 9 Международная молодежная научная школа «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых». Том 2. 19-23 ноября 2012 г. - М: ИПКОН РАН. - 2012. - С. 322-325.

8. Кусков В.Б. О возможности холодного брикетирования богатых железных руд со связующими веществами / В.Б. Кусков, А.В. Корнев // Збагачення корисних копалин: науково-технічний збірник / Національна гірничий університет. - Дніпропетровськ. 2012. -Вип. 51(92)-С. 37-42.

9. V.B. Kuskov Briquettes for metallurgical industry / V.B. Kuskov, A.V. Kornev II CIS Iran and Steel Review. - 2011. - P.6-7.

10. Патент РФ № 2467079 Способ окускования металлосодержащего рудного материала / В.Б. Кусков, Я.В. Кускова, А.В. Корнев, О.В. Черемисина. Заявл. 10.05.2011: Опубл. 20.11.2012.

11. Патент РФ №2466196 Способ переработки железосодержащего материала / В.Б. Кусков, В.А. Утков, Я.В. Кускова, А.В. Корнев. Заявл. 22.04.2011; Опубл. 10.11.2012.

РИЦ Горного университета. 16.07.2013. 3.448. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Корнев, Антон Владимирович, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

04201361677

На правах рукописи

КОРНЕВ Антон Владимирович

БЕЗОБЖИГОВОЕ ОКУСКОВАНИЕ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЯЗУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

Специальность 25.00.13 - Обогащение полезных ископаемых

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент В.Б. Кусков

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................6

ГЛАВА 1 ЖЕЛЕЗНЫЕ РУДЫ И PIX ПОДГОТОВКА К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМУ ПЕРЕДЕЛУ.....................................................................11

1.1 Краткая характеристика железорудной базы России...........................................11

1.2 Анализ требований, предъявляемых к железорудному сырью для его металлургической переработки....................................................................................15

1.3 Анализ и классификация существующих способов окускования железных руд и концентратов...............................................................................................................18

1.3.1 Основные способы окускования железорудного сырья.................................19

1.3.2 Краткий обзор развития брикетирования железных руд..................................28

1.3.3 Основные способы брикетирования железных руд..........................................32

1.3.4 Требования к качеству железорудных брикетов...............................................39

1.4 Основные связующие вещества, используемые при брикетировании железных руд, и предъявляемые к ним требования.....................................................................41

1.4.1 Требования к связующим веществам.................................................................41

1.4.2 Связующие материалы неорганического происхождения...............................42

1.4.3 Связующие материалы органического происхождения...................................48

1.4.4 Комбинированные связующие вещества............................................................50

Выводы по первой главе...............................................................................................53

ГЛАВА 2 ИЗУЧЕНИЕ СОСТАВА БОГАТЫХ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД ЯКОВЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ ОБОСНОВАНИЯ СПОСОБА ИХ ОКУСКОВАНИЯ................................................55

2.1 Общая характеристика железных руд Яковлевского месторождения...............55

2.2 Изучение вещественного состава и физических свойств богатых железных руд Яковлевского месторождения.......................................................................................59

2.2.1 Определение влажности исходных руд..............................................................59

2.2.2 Определение гранулометрического состава мартитовой и гидрогематитовой руды.................................................................................................................................60

2.2.3 Определение химического состава руд..............................................................63

2.2.4 Определение плотности руд................................................................................66

2.3 Расчет основных затрат на окускование полидисперсных железных руд Яковлевского месторождения различными способами.............................................68

Выводы по второй главе................................................................................................70

ГЛАВА 3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БРИКЕТИРУЕМОСТИ БОГАТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД ЯКОВЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ...............72

3.1 Методика проведения исследований.....................................................................72

3.2 Исследование брикетируемости руды со связующими веществами..................76

3.2.1 Определение зависимости прочности железорудных брикетов от соотношения мартитовой и гидрогематитовой руды в исходной шихте.................76

3.2.2 Исследование влияния крупности шихты на прочностные свойства получаемых железорудных брикетов..........................................................................78

3.2.3 Исследование влияния различных видов связующих и их расхода на прочность получаемых железорудных брикетов........................................................81

3.2.4 Исследование влияния давления прессования на прочностные свойства железорудных брикетов................................................................................................90

3.2.5 Определение зависимости прочности железорудных брикетов от температуры их сушки и влажности исходной шихты..............................................93

3.2.6 Исследование влияния активизирующих добавок на прочность железорудных брикетов................................................................................................96

3.2.7 Исследование влияния обжига на прочность железорудных брикетов..........98

3.3 Исследование брикетируемости руды без связующих веществ.........................99

3.4 Математическое моделирование процесса брикетирования полидисперсных мартито-гидрогематитовых руд.................................................................................102

Выводы по третьей главе............................................................................................107

ГЛАВА 4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ БРИКЕТОВ...................................................................................................................109

4.1 Изучение физико-механических свойств железорудных брикетов..................110

4.1.1 Определение прочности брикетов на одноосное сжатие................................110

4.1.2 Испытание брикетов на осыпаемость...............................................................112

4.1.3 Компьютерное моделирование испытания железорудных брикетов на удар при падении..................................................................................................................117

4.1.4 Определение прочности брикетов на сбрасывание.........................................120

4.1.5 Определение механической прочности брикетов на истирание и сопротивления истиранию..........................................................................................122

4.1.6 Определение плотности и пористости брикетов.............................................125

4.2 Изучение металлургических свойств железорудных брикетов........................128

4.2.1 Определение восстановимости брикетов.........................................................128

4.2.2 Определение температуры начала размягчения и температурного интервала размягчения (термостойкости)...................................................................................130

4.3 Определение возможности получения брикетов из полидисперсных мартито-гидрогематитовых руд на экструдерном прессе.......................................................132

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И СХЕМЫ ЦЕПИ АППАРАТОВ ТЕХНОЛОГИИ БЕЗОБЖИГОВОГО БРИКЕТИРОВАНИЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД................................................................146

5.1 Описание технологического процесса производства железорудных брикетов

безобжиговым методом...............................................................................................146

5.2 Экономическая оценка технологического решения по окускованию полидисперсных железных руд..................................................................................156

Выводы по пятой главе................................................................................................169

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................170

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................172

Приложение А..............................................................................................................184

Приложение Б...............................................................................................................187

Приложение В..............................................................................................................190

Приложение Г...............................................................................................................195

Приложение Д..............................................................................................................198

Приложение Е...............................................................................................................199

ВВЕДЕНИЕ

железных руд для развития высокотехнологичного производства и выпуска продукции широкой номенклатуры» от 07.09.2010 г.

Основные задачи исследования:

- анализ существующих способов окускования железных руд;

- экспериментальное изучение брикетируемости полидисперсных железных руд;

- разработка технологической схемы и схемы цепи аппаратов технологии безобжигового окускования полидисперсных железных руд;

Методы исследований. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Для изучения вещественного состава и физических свойств железных руд применялись ситовой, рентгенофлуоресцентный и методы классического химического анализа. При исследовании руд на брикетируемость и экструдируемость для оценки качества получаемых брикетов и экструдатов использовались физико-механические методы, а для определения возникающих в брикете напряжений - метод численного моделирования, реализованный посредством программного комплекса «БипиНа А1^и5». Для обработки экспериментальных данных были

использованы методы математической статистики и стандартные компьютерные программы.

Научная новизна:

Основные защищаемые положения: 1. С целью снижения затрат и уменьшения экологического воздействия на

окружающую среду окускование полидисперсных железных руд с низким содержанием вредных примесей (Б <0,3%, Р<0,15%, 8Ю2<8%) следует

осуществлять методом безобжигового брикетирования с использованием связующих веществ.

2. Для обеспечения рационального технологического режима, позволяющего получить железорудные брикеты с требуемыми для доменного использования свойствами, брикетирование полидисперсных железных руд следует вести на шихте с крупностью рудной части -5+0 (-10+0) мм с добавкой 10-15 % гидрогематитовой руды и 2-2,5 %-ного раствора карбоксиметилцеллюлозы при давлении прессования не более 40 МПа с последующей сушкой сырых брикетов при температуре 30-60°С.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается значительным объемом аналитических и экспериментальных исследований, величиной относительной погрешности проведенных опытов - не более 5 %, не менее 85 % сходимостью результатов предварительных и приемочных испытаний с лабораторными данными, применением современных средств измерений, использованием стандартных и отраслевых методик, а также современных методов анализа и обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы освещались на IX конгрессе обогатителей стран СНГ (МИСиС, г. Москва, 2013 г.), на 9 международной молодежной научной школе «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (ИПКОН РАН, г. Москва, 2012 г.), на международном форуме горняков и металлургов (Ти ВАБ, г. Фрайберг, Германия, 2012 г.), на международной научно-практической конференции «Уральская

горная школа - регионам» (УГТУ, г. Екатеринбург, 2012 г.), на 52-ой международной научной конференции (АвН, г. Краков, Польша, 2011 г.) и др.

Личный вклад автора состоит в обзоре и анализе существующих технологий и способов окускования железных руд, обосновании направлений и методов решения поставленных задач, разработке методик, проведении лабораторных исследований, участии в проведении предварительных и приемочных испытаний, обработке и анализе полученных результатов, формулировании основных научных положений и выводов.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, кандидату технических наук, доценту В.Б. Кускову; сотрудникам кафедр: «Обогащение полезных ископаемых» и «Строительство горных предприятий и подземных сооружений» Горного университета за ценные советы, содействие в проведении экспериментальных исследований и поддержку на различных этапах выполнения диссертационной работы.

ГЛАВА 1 ЖЕЛЕЗНЫЕ РУДЫ И ИХ ПОДГОТОВКА К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМУ ПЕРЕДЕЛУ

1.1 Краткая характеристика железорудной базы России

Значение металлов и металлургии, в современном мире огромно. Трудно переоценить их роль в повседневной жизни общества. В настоящее время металлургия представляет собой весьма крупное и энергоемкое производство, которое по объему вовлекаемого в переработку сырья превосходит другие отрасли перерабатывающей промышленности. Примерно 95% вовлекаемого в переработку металла составляют железо и его сплавы [1-7].

Черная металлургия и железорудная отрасль являются базовыми отраслями промышленности России. От их динамического развития во многом зависит состояние экономики страны в целом [8-10].

Широкое применение черных металлов в различных областях техники (машиностроении, станкостроении, судостроении, автомоби

Информация о работе

Корнев, Антон Владимирович
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2013
ВАК 25.00.13

Диссертация

Безобжиговое окускование полидисперсных железных руд с использованием связующих веществ - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы