ГЛАВА 12. ОКУСКОВАНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

ПРОЦЕССЫ ОКУСКОВАНИЯ

Окускование полезных ископаемых – это процесс превращения мелких классов полезных ископаемых в куски с заданными свойствами для их более эффективного использования. Получаемые в результате глубокого обогащения концентраты руд черных и цветных металлов, как правило, непригодны для непосредственного использования в плавке или других технологических процессах и требуют окускования. В зависимости от вида полезного ископаемого и его последующего передела окускование осуществляется агломерацией, окомкованием или брикетированием.

Агломерация– спекание мелких руд или концентратов в твердые пористые куски.

Окомкование – процесс получения гранул сферической формы – окатышей, подвергаемых для упрочнения обжигу.

Брикетирование– процесс получения брикетов прессованием мелкого материала.

АГЛОМЕРАЦИЯ

Рассмотрим сущность процесса агломерации на примере получения агломерата из железорудного концентрата. Спеканию подвергается шихта, в состав которой входят следующие компоненты: концентрат – 40-50 %, известняк – 15-20 %, возврат (мелкий агломерат) – 20-30 %, коксовая мелочь – 4-6 %, влага – 6-9 %. Известняк и кокс предварительно измельчают до крупности 3 мм. После первичного смешивания шихта увлажняется, повторно смешивается, окомковывается (процесс окомкования рассмотрен в следующем разделе) и направляется на спекание. Спекание происходит в агломерационной машине (чаще всего конвейерного типа), представляющей собой конвейер, состоящий из отдельных тележек (паллет), перемещаемых по замкнутым направляющим (рис. 12.1). Днище паллеты представляет собой колосниковую решетку. В головной части машины установлен питатель для укладки «постели» – слоя мелкого агломерата для предотвращения «пригорания» агломерационного «пирога» к днищу паллеты, питатель, подающий шихту в паллеты (высота слоя шихты 250-300 мм), и горн, обеспечивающий зажигание кокса в верхнем слое шихты раскаленными продуктами горения жидкого (мазут) или газообразного (природный или коксовый газ) топлива. Скорость движения паллет 1,5-4,5 м/мин. На рабочем участке агломашины тележки проходят над вакуум-камерами, соединенными с эксгаустером (мощным вентилятором), который обеспечивает просасывание атмосферного воздуха через слой горящей шихты.

Схема процесса агломерации изображена на рис. 12.2 в момент времени, когда в слое спекаемого материала присутствуют все фазы агломерационного процесса. Фазам агломерационного процесса соответствуют следующие зоны:

1. Готовый агломерат. Все физико-химические процессы в этом слое закончились.

2. Зона горения. В этой зоне происходит сгорание топлива шихты (кокса) с выделением большого количества тепла и восстановителя – окиси углерода СО:

C + О₂ = CO₂;

CО₂ + С = 2СО.

За счет высокой температуры в зоне горения в материале шихты происходят различные химические реакции – окислительно-восстановительные, термической диссоциации и др.

Восстановление железа происходит следующим образом:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂;

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂;

FeO + CO = Fe + CO₂.

В результате этих реакций железо, содержащееся в концентрате, восстанавливается до высших окислов и металлической формы, причем восстановление происходит через вновь образующиеся легкоплавкие минералы: феррит кальция – СаО·Fe₂O₃, фаялит – 2FeO·SiO₂, двухкальциевый силикат. Для образования этих минералов в шихту добавляются флюсы (известняк). В этой же зоне происходит частичное удаление вредных примесей: серы, мышьяка, свинца, цинка.

3. Зона подогрева шихты. Подогрев шихты происходит за счет тепла, выделяющегося в зоне горения, при просасывании раскаленных газов через слой шихты. В этой зоне разлагаются карбонаты, гидраты и начинаются восстановительные процессы.

4. Зона сушки. В этой зоне происходит удаление гигроскопической влаги шихты.

5. Зона переувлажнения. Эта зона обладает повышенной влажностью вследствие конденсации водяных паров при их соприкосновении с более холодной частью шихты.

6. Постель.

7. Колосниковая решетка.

По окончании горения шихты в конце агломерационной машины агломерат разгружается, охлаждается и дробится в одновалковых зубчатых дробилках. Дробленый агломерат подвергается грохочению, материал крупнее 13 (15) мм направляется в металлургический передел. Класс –13+8 мм используется в качестве постели, класс –8+0 мм присоединяется к исходной шихте, поступающей на агломерацию.

ОКОМКОВАНИЕ

Окомкование – процесс окускования тонкоизмельченных влажных материалов (преимущественно железных концентратов), основанный на их способности образовывать при перекатывании агрегаты округлой формы – окатыши. Полученные в результате окатывания сырые окатыши подвергаются упрочнению обжиговым или безобжиговым методами.

Окомкованию подвергается шихта, в состав которой входят тонкоизмельченный концентрат, связующая добавка бентонит (особый тип глины), известняк (при получении офлюсованных окатышей) и измельченный кокс (при получении металлизованных окатышей). Крупность концентрата при получении окатышей обычно составляет 90-95 % класса –0,06 мм, оптимальная влажность – 8-10 % для гематитовых и магнетитовых концентратов, 20-25 % – для бурых железняков, 15-20 % – для пиритных огарков.

Сырые окатыши получают в окомкователях – барабанных (рис. 12.3, а) или чашевых (рис. 12.3, б). Сырые окатыши подвергаются грохочению, гранулы крупностью 10-20 мм направляются в обжиговую машину, мелочь возвращается в окомкователь.

Рис. 12.3. Окомкователи

Упрочняющий обжиг окатышей производится в шахтных, трубчатых печах и, чаще всего, в обжиговых машинах конвейерного типа с тележками (рис. 12.4), по конструкции напоминающими агломерационные машины. Основное отличие обжиговой машины – значительно более длинная зона воздействия горелок на обжигаемый материал.

По длине обжиговой машины выделяют несколько зон: сушки (1), подогрева (2), обжига (3) и охлаждения (4). Максимальная температура (1250-1300 ^оC) достигается в зоне обжига. Повышение температуры по длине обжиговой машины происходит постепенно – для предотвращения растрескивания и разрушения окатышей. На всем протяжении обжиговой машины через слой окатышей высокотемпературными дымососами просасывается атмосферный воздух, необходимый для протекания химических реакций в обжигаемом продукте. В качестве топлива используют мазут, природный газ, реже кокс. В процессе обжига окатышей происходит превращение магнетита в гематит, рекристаллизация гематитовых и магнетитовых зерен, образование шлаковой связки, обеспечивающей возрастание прочности окатышей.

Использование металлизованных окатышей, получаемых при добавлении в шихту кокса или при обжиге окатышей в слое твердого топлива, позволяет увеличить производительность доменной печи и снизить расход топлива для плавки, так как в процессе обжига окатышей часть содержащегося в шихте железа восстанавливается до металлического состояния.

БРИКЕТИРОВАНИЕ

Брикетированию, т. е. получению брикетов правильной единообразной формы прессованием, подвергаются торф, каменные и бурые угли, железные, марганцевые, хромовые и др. руды и концентраты, отходы предприятий черной металлургии (окалина, стружка, шлаки, шламы), сырье для производства ферросплавов и пр. В зависимости от свойств исходного материала, брикетирование может осуществляться с добавкой связующих веществ, при давлении менее 80 МПа, и без связующих веществ – при давлении более 80 МПа. К получаемым брикетам предъявляется ряд требований по механической прочности, влагопоглощению, конечной влажности, содержанию мелочи и др. параметрам.

Бурые угли и торф брикетируются без добавки связующих веществ вследствие наличия в них битумов – органических смол, размягчающихся при температуре 70-80 ^оС и затвердевающих при охлаждении (согласно битумной гипотезе образования брикетов) и под действием молекулярных и капиллярных сил, обеспечивающих сцепление частиц (капиллярная гипотеза). Каменные угли и антрациты из-за низкого содержания природных битумов брикетируются с добавлением связующего вещества – нефтяных битумов или каменноугольного пека. Технологическая схема брикетирования включает операции дробления материала до крупности –6+0 мм, сушки до влажности 18-20 %, прессования и охлаждения брикетов.

Руды и концентраты брикетируются с добавлением связующего вещества – сульфит-спиртовой барды, сульфитных щелоков, жидкого стекла, каменноугольной смолы, извести и др. Технологическая схема брикетирования в этом случае включает операции подготовки сырья (дозировка, смешивание), прессования, упрочнения брикетов (термическое, автоклавное и др.). Например, при брикетировании железорудных концентратов в качестве связующего (и одновременно – флюса) используется гашеная известь Са(ОН)_2. Для упрочнения брикетов их подвергают автоклавной карбонизации углекислым газом при температуре 160-170 ^оС, сопровождающейся образованием известняка – СаСО₃, придающего брикетам повышенную прочность.

В последнее время в практике брикетирования рудного сырья и отходов черной металлургии получает распространение высокотемпературная (800- -1050 ^оС) технология получения брикетов без добавки связующего вещества. Исходный материал в результате нагревания переходит в более мягкие структурные формы, частично спекается и брикетируется в нагретом состоянии. Данная технология в ряде случаев может осуществляться с добавлением связующих веществ.

Брикетирование осу-ществляется в брикетных прессах низкого (вальцовые, столовые) и высокого (штемпельные, кольцевые) давления. На рис. 12.5 приведена схема работы штемпельного пресса. Давление в камере прессования создается поршнем – штемпелем, приводимым в движение кривошипно-шатунным механизмом. В процессе непрерывной работы пресса осуществляются циклы подачи исходного материала в камеру прессования, уплотнения и перемещения его в формовочный канал, на выходе которого получают готовые брикеты.

Брикетирование является сравнительно дешевым методом окускования полезных ископаемых и продуктов обогащения и в ряде случаев может являться альтернативой агломерации и окомкованию.