На правах рукописи

ЛУГОВСКОЙ Николай Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АГЛОМЕРАЦИИ

ЖЕЛЕЗОРУДНОЙ ШИХТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

МАРТИТОВОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ РУДЫ ПОЛИДИСПЕРСНОГО

СОСТАВА

Специальность 05.16.02 – Металлургия чёрных,

цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ – 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минеральносырьевой университет «Горный»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Утков Владимир Афанасьевич

Официальные оппоненты:

Цемехман Лев Шлемович доктор технических наук, профессор, ООО «Институт Гипроникель», лаборатория пирометаллургии, заведующий Львов Владислав Валерьевич кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра обогащения полезных ископаемых, доцент

Ведущая организация ООО «Механобр-инжиниринг»

Защита состоится 3 июля 2013 г. в 12 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу:

199106, г. Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1303.

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

Автореферат разослан 3 июня 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ БРИЧКИН

диссертационного совета, Вячеслав Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В последнее время качество железорудного сырья обогатительных фабрик и металлургических комбинатов России значительно снижается вследствие истощения железорудных месторождений. Содержание железа в рудах снижается, а вредных примесей и пустой породы увеличивается. Решение сырьевой проблемы состоит в использовании новых сырьевых месторождений, и в этом вопросе перспективным направлением является освоение технологий металлургической переработки богатых железом руд Яковлевского месторождении. Высокое содержание в них железа и минимальное вредных примесей позволяет перерабатывать их способами бескоксовой металлургии. Однако работающих мощностей бескоксовой металлургии недостаточно для полного использования добываемых руд. Рост добычи яковлевских руд требует расширения перспективных способов их металлургической переработки.

Большую часть металлического железа получают в виде чугуна на современных доменных печах большой мощности.

Использование яковлевских руд для производства доменного агломерата повысит показатели доменной плавки за счет получения агломерата лучшего качества. Но неясно, как физико-химические свойства этой руды влияют на качество агломерационной шихты и производимого агломерата. Положительный технико-экономический эффект в аглодоменном производстве может быть достигнут только при условии рационального использования этих руд для получения агломерата не худших металлургических качеств с экономией доменного кокса.

Большое вклад в развитие агломерационных процессов внесли фундаментальные исследования ученых и металлаургов С.В. Базилевич, Е.Ф. Вегман, В.И. Клейн, В.И. Коротич, А.В.

Малыгин, В.П. Пузанов, Ю.Г. Ярошенко и другие. Освоение эффективных технологий получения доменного агломерата с применением яковлевских руд и последующей его плавки в доменных печах позволит решить проблему снижения качества железорудного сырья в доменной металлургии. Это определяет актуальность исследования особенностей металлургической переработки железных руд Яковлевского месторождения.

Цель работы. Разработка технологических решений, обеспечивающих эффективную агломерацию мартитовых железных руд.

Основные задачи исследования:

-обоснование переработки железных руд Яковлевского месторождения в аглодоменном производстве чугуна;

-анализ и сравнение технико-экономических показателей рассматриваемых способов прямого получения железа и доменной металлургии чугуна;

-изучение влияния полидисперсных яковлевских руд на процесс окомкования агломерационных шихт, содержащих тонкодисперсные железорудные концентраты;

-исследование влияния повышенного содержания железа в агломерационной шихте на образование ферритов кальция в оксидной системе FeO–CaO–Si2O при высокотемпературном спекании;

-оценка экономического эффекта при переработки яколвевских руд в агло-доменном производстве.

Методика исследований. В работе были использованы экспериментальные исследования и математические методы обрабокти полученных результатов средствами компьютерного программного обеспечения. Исследование физико-химического состава проводилось классическими методами в лабораторных условиях по требованиям государственных стандартов и с использованием современного оборудования. Для анализа микроструктуры агломерационного спека и выявления фазообразования в нём использовался современной электронный микроскоп.

Научная новизна:

-выявлена способность полидисперсных мартитовых и гидрогематитовых яковлевских руд повышать комкуемость агломерационной шихты;

-установлена математическая зависимость эффективности окомкования агломерационной шихты от концентрации в ней полидисперсных мартитовых и гидрогематитовых руд Яковлевского месторождения, влажности шихты;

-уточнены процессы минералообразования при спекании агломерационных шихт содержащих железорудные концентраты и мартитовые и гидрогематитовые руды Яковлевского месторождения в оксидной системы FeO–CaO–Si2O.

агломерационной шихты с содержанием яковлевских руд от её состава, что позволяет проводить процесс спекания в повышенной слое;

Защищаемые положения.

1. С целью снижения выхода мелких фракций при окомковании агломерационной шихты, содержащей тонкодисперсные железорудные концентраты, необходимо добавлять в её состав полидисперсные мартитовые и гидрогематитовые руды в количестве 15-30% и 40-50% по массе соответственно, что повышает комкуемость шихты в 1,25-2 раза.

агломерации необходимо вести процесс в высоком слое до 450- мм, достаточная газопроницаемость которого обеспечивается использованием гранулированного железорудного материала, содержащего установленное количество полидисперсных яковлевских руд.

Практическая значимость работы:

1. Уточнены процессы минералообразования в твердых и жидких фазах при высокотемпературном спекании железорудного сырья, содержащего яковлевские руды;

агломерационных шихт от содержания в них полидисперсных руд имеют практическое применение при разработке и освоении технологии подготовки и металлургической переработки железных руд Яковлевского месторождения;

3. Результаты исследований могут применяться при проведении проектных и опытно-технологических работ в практике переработки высокожелезистых руд.

Степень обоснованности и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в стандартизированных методик проведения экспериментов, методов компьютерной обработки данных, а так же соответствием полученных экспериментальных результатов теории и практике агломерации железных руд и доменного производства. Результаты исследований коррелируются с полученными результатами промышленных испытаний на действующем агломерационном производстве.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на научнотехническом семинаре «Инновационные технологии в цветной металлургии» (Санкт-Петербург, 2012), Международная научнопрактическая конференция «Инновационные технологии в минерально-сырьевом комплексе на базе научных достижений, автоматизации и диспетчеризации предприятий» (Санкт-Петербург, 2013).

Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований, анализе существующих технологий и способов переработки железных руд, проведении лабораторных исследований, обработке полученных данных, подготовке статей и материалов для участия в конференциях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные работы, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 121 страницах машинописного текста, содержит 44 таблицы и рисунка. Библиография включает 112 наименований.

Во ведении обоснована актуальность исследований, изложены цель, научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту.

железорудной базы России, описание объекта исследования, технологию добычи и рудоподготовительных операций на Яковлевском руднике, характеристику добываемых руд. Технология добычи предусматривает селективную выемку руд и их разделение по сортам, а так же дальнейшие рудоподготовительные операции, включающие грохочение, дробление, складирование. Учитывая опыт рудоподготовительного передела на некоторых горнообогатительных комбинатах, предложена усовершенствованная схема первичной переработки железных руд Яковлевского месторождения. Установлена специфика яковлевской руды, как сырье металлургической переработки – минимальное содержание вредных примесей при высоком содержании железа. Обычно такие руды используются в бескоксовой металлургии, однако её производственные мощности не обеспечивает полный сбыт добываемой руды.

Во второй главе представлен обзор существующих способов переработки железорудного сырья, включая способы прямого получения железа и классическое доменное производство.

Рассмотрено и проанализировано современное состояние аглодоменного производства, в котором существует проблема ухудшения качества железорудного сырья. Проанализирована возможность переработки богатых железных руд Яковлевского месторождения по рассматриваемым способам. Сформулирована актуальность и задачи исследования.

В третьей главе описаны экспериментальные исследования физико-химических и металлургических свойств агломерационных шихт, содержащих полидисперсные мартитовые и гидрогематитовые руды. Описан процесс окомкования этих шихт перед спеканием и приведены результаты исследования их комкуемости. Выявлена зависимость комкуемости агломерационных шихт от содержания полидисперсных мартитовых и гидрогематитовых руд и их влажности. Проведено исследование газопроницаемости слоя агломерационных шихт, содержащих железорудные концентраты и яковлевские железные руды. Приведены результаты экспериментального исследования минералогического состава агломерационного спека, содержащего яковлевские руды. Уточнены процессы химико-минералогических превращений в ходе спекания.

В четвертой главе выполнено сравнение техникоэкономических показателей прямого получения железа и традиционной технологии аглодоменного производства. Предложена схема оценки экономического эффекта при переработки богатых железных руд, учитывающая важные технологические факторы.

Рассчитан положительный экономический эффект при использовании яковлевских руд в аглодоменном производстве.

рекомендации по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. С целью снижения выхода мелких фракций при окомковании агломерационной шихты, содержащей тонкодисперсные железорудные концентраты, необходимо добавлять в её состав полидисперсные мартитовые и гидрогематитовые руды в количестве 15-45% по массе, что повышает комкуемость шихты в 1,25-2 раза.

В черной металлургии перерабатываемые тонкодисперсные материалы предпочтительно окусковывать различными способами, одним из которых является агломерация. Одним из важнейших свойств насыпного слоя агломерационной шихты является её газодинамическое сопротивление, которое зависит от многих факторов: гранулометрический состав шихты, насыпной вес, удельная поверхность материала, структура насыпного слоя, параметры работы эксгаустера. Поэтому тонкодисперсные железорудные концентраты перед агломерацией предпочтительно подвергать окомкованию.

Проведены экспериментальные исследования процессов окомкования мартитовых и гидрогематитовых руд яковлевского месторождения, а также железорудных шихт с содержанием этих руд. Для исследования были подготовлены железорудные шихты, содержащие тонкодисперсные концентраты обогатительных фабрик «КМА-руда» и «Стойленский ГОК» (далее «КМА-руда» и «СГОК») и полидисперсные мартитовые и гидрогематитовые руды (далее МР и ГГР) фракций -5,0+0 мм. Их гранулометрический состав представлен в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 – Гранулометрический состав яковлевских руд Класс -5+2, -2,5+1, -1,6+0, -0,63+0, -0,25+0, -0,14+0, -0, Таблица 2 – Гранулометрический состав железорудных концентратов Яковлевские руды содержат широкий диапазон классов крупности и являются рудами полидисперсного состава. Их гранулометрический состав позволяет использовать их в составе железорудной части шихты и спекать в агломерационных машинах.

Железорудные концентраты магнитного обогащения имеют высокую тонину измельчения и требуют редварительного окомкования перед агломерационным спеканием в барабанных грануляторах. На рисунке 1 представлены кумулятивные кривые в логарифмической шкале, характеризующие распределение гранулометрических фракций исследуемых железных руд и концентратов.

Рисунок 1 – Кумулятивные кривые гранулометрического состава исследуемых руд и В теории окомкования руд и концентратов условно разделяют фракции по их поведению в процессах окомкования:

- комкуемые фракции -0,4 мм, частицы этой фракции комкуются, налипая на более крупные зерна;

- комкующие фракции +1,6 мм, представляющие собой центры гранулообразования – на них накатываются более мелкие фракции;

- промежуточные фракции -1,6+0,4 мм, которые слишком малы для образования слоя накатанного материала, и также сами не могут налипать на другие комки.

Одним из условий эффективного окомкования является наличие тонкодисперсных фракций, обладающих высокой удельной поверхностью, и достаточного количества (от 8 до 30% по массе) комкующих фракций, являющихся центрами гранулообразования.

Для оценки комкующих свойств предложено использование коэффициента комкуемости, который отражает долю крупных фракций после окомкования и учитывает их начальное содержание:

Где – K – коэффициент комкуемости, %;

P2 – содержание фракции +1,6 мм после окомкования, г;

P1 – содержание фракции +1,6 мм до окомкования, г.

Исследования комкуемости железорудных концентратов показали, что они отличаются низкой способностью к окомкованию, для их эффективного окомкования требуется увеличенная влажность шихты, добавка различных связующих, более длительное время окомкования. В первую очередь, причиной этому служит специфический гранулометрический состав представленный только комкуемыми фракциями -0,4 мм. Также концентраты обладают низкой смачиваемостью и гидрофобностью, из-за чего требуется повышенная влажность для их окомкования.

Полидисперсные мартитовые и гидрогематитовые руды содержат широкий спектр классов крупности, имеют высокое влагопоглащение и при их окомковании зарождение крупных гранул происходит значительно быстрей.

Исследовалось влияние на процесс окомкования шихты с содержанием яковлевских МР и ГГР при различной влажности от 6% до 12%. Компонентный состав приготовленных шихт, а так же способность к окомкованию представлены в таблицах 3 и 4.

Окомкование проводилось в лабораторном тарельчатом грануляторе, чаша расположена под наклоном 30° к горизонту, скорость вращения чаши составляла 12-15 об./мин., время окомкования фиксировано и равнялось 90 сек.

железорудная шихта, содержащая концентрат «КМА-руда» и полидисперсные мартиовые и гидрогематитовые руды, окомковывается эффективней и больше образуется крупных комков при влажности 10-12% (таблица 3, рисунки 2,3), чем без содержания полидисперсных руд.

Таблица 3 – Шихта на основе железорудного концентрата «КМАруда»

Гидрогематитовая руда Достигаемый эффект повышения комкуемости объясняется положительным влиянием гранулометрического состава мартитовых и гидрогематитовых руд. Кусочки руды крупностью +1,6 мм служат центрами гранулообразования и имеют большую площадь соприкосновения с тонкодисперсными фракциями, налипающими на них под действием центробежные и инерционные силы, а так же сцепляются за счет капиллярных сил. Установлено рациональное содержание яковлевских полидисперсных руд в шихте содержащей железорудный концентрата «КМА-руда», которое составляет 15-30% по массе, и коэффициент комкуемости выше в 2– 2,5 раза (рисунки 2,3).

Рисунок 2 – Зависимость доли окомкованных фракций от содержания яковлевских руд в шихте при влажности шихты 10%: 1 шихта, содержащая концентрат «КМАруда» и МР; 2 – «КМА-руда» и ГГР; 3 – концентрат «Стойленский ГОК» и МР; 4 – Концентрат «СГОК» имеет большую тонину измельчения и гидрофильность и поддается окомкованию значительно хуже. Так, при влажности 10% комкуемость с использованием яковлевских руд несколько ниже, чем чистого концентарата (таблица 4, рисунок 2).

Но уже при влажности 12% при участии МР и ГГР коэффициенты комкуемости выше на 30–50%, чем без содержания их содержания (рисунок 3). При низкой влажности из-за высокой гидрофильности тонкодисперсные частицы этого концентрата мало налипают на крупные кусочки руды, и поэтому для эффективного окомкования требуется влажность шихты >12%. Рациональное содержание яковлевской МР и ГГР в концентрате «Стойленский ГОК»

составляет >45%.

Таблица 4 – Шихта на основе железорудного концентрата «Стойленский ГОК»

Гидрогематитовая руда Рисунок 3 – Зависимость доли окомкованных фракций от содержания яковлевских руд в шихте при влажности шихты 12%: 1 шихта, содержащая концентрат «КМА-руда» и МР; 2 – «КМА-руда» и ГГР; 3 – концентрат «Стойленский ГОК» и МР; 4 – «Стойленский ГОК» и ГГР.

На основе экспериментальных данных выведены математические зависимости выхода крупной фракции при окомковании железорудной шихты при влажности 12%, от содержания:

1) полидисперсных мартитовой руды в шихте, содержащей концентрат «КМА-руда»:

где – Y – выход крупных фракций после окомкования, доли;

х1 – содержание мартитовой руды, проценты;

коэффициент корреляции R: 0,95;

содержащей концентрат «КМА-руда:

где – Y – выход крупных фракций после окомкования, доли;

х1 – содержание мартитовой руды, проценты;

3) полидисперсных мартитовой руды в шихте, содержащей концентрат «СГОК»:

где – Y – выход крупных фракций после окомкования, доли;

х1 – содержание мартитовой руды, проценты;

содержащей концентрат «СГОК»:

где – Y – выход крупных фракций после окомкования, доли;

х1 – содержание мартитовой руды, проценты;

полидисперсных яковлевских руд на комкуемость железорудных шихт. Они могут использоваться для расчета необходимого содержания яковлевских руд в составе агломерационных шихт, что обеспечивает повышение эффективности агломерации слабокомкуемых тонкодисперсных железорудных концентратов.

2. Для повышения производительности процесса агломерации необходимо вести процесс в высоком слое до 450мм, достаточная газопроницаемость которого обеспечивается использованием гранулированного железорудного материала, содержащего установленное количество полидисперсных яковлевских руд.

Вследствие применения полидисперсных руд существенно снижается доля неокомкованных фракций, которые отрицательно влияют на газодинамическое сопротивление спекаемого слоя шихты.

Также увеличивается выход крупных гранул и их эквивалентный диаметр и пористость насыпного слоя, что положительно сказывается на газопроницаемость слоя.

При относительное неизменных прочих условий работы агломерационного агрегата (создаваемое эксгаустером разряжение, вязкость и температура просасываемого воздуха, высота спекаемого слоя и его способ укладки и др.) потеря напора зависит от газодинамического сопротивления слоя шихты, его пористости и структуры.

Газодинамические характеристики насыпного слоя шихты оценивают через потерю напора через этот слой. Потеря напора вычислена по формуле Рамзина Л.К.:

где – p – потеря напора через слой, Па;

h – высота спекаемого слоя, мм;

– средняя скорость газа, м/с;

A, n – эмпирические коэффициенты, зависящие от структуры слоя шихты и от крупности и формы её частиц.

Коэффициент А является функцией пористости слоя, эквивалентного диаметра частиц, и высоты слоя A F ( нас, d экв, H ) и расчитывается по формуле, предложенной Бересневым И.С.:

где нас – насыпная плотность аглошихты, кг/м3;

H – высота спекаемого слоя, м;

d экв – эквивалентный диаметр частиц, м;

В агломерационном производстве средняя скорость течения газа через слой шихты меняется в пределах 0,2…0,5 м/с, высота спекаемого слоя h на типовой аглофабрики СНГ варьируется от 200…450 мм. Средняя скорость течения газа через слой и высота агломерируемого слоя h приняты 0,3 м/с и 300 мм соответственно.

Данные по эквивалентному диаметру, насыпной плотности окомкованных шихт с добавкой яковлевских руд приведены в таблицах 5 и 6. Там же приведены результаты расчетов коэффициента газодинамического сопротивления слоя А и потеря напора от высоты p. Окомкованные шихты, с содержанием полидисперсных руд имеют более низкое газодинамическое сопротивление, чем шихты без содержания полидисперсных руд (рисунок 4).

Таблица 5 – Газодинамические характеристики исследуемой агломерационной шихты, содержащей концентрат «КМА-руда» и яковлевские руды Гидро-гематитовая руда Таблица 6 – Газодинамические характеристики исследуемой агломерационной шихты, содержащей концентрат «СГОК» и яковлевские руды газодинамическое сопротивление слоя шихты, Рисунок 4 – Зависимость газодинамического сопротивления от содержания яковлевских руд в шихте при влажности 12%: 1 – шихта, содержащая концентрат «КМА-руда» и МР; 2 – «КМА-руда» и ГГР; 3 – концентрат «Стойленский ГОК» и Полученные значения коэффициента А и p коррелируются с известными в литературе данными и свидетельствуют о значительном положительном эффекте, позволяющем существенно повысить высоту спекаемого слоя на 50-70% до 450-500 мм.

Увеличение высоты спекаемого слоя на каждые 100 мм позволяет снизить выход агломерационной мелочи 0-5 мм на 6-10% и достигнуть экономии кокса до 6-8%. По известным эмпирическим зависимостям снижение содержания мелочи на 1% в доменном агломерате дает технологический эффект повышения производительности печи на 0,4-0,7% и экономию доменного кокса в 0,4-0,7%. При переработки 600 тыс. тн яковлевских руд в прирост производительности доменной печи Q может быть достигнут до 0, млн. т чугуна в год, а экономия кокса 30-50 тыс. тонн в год при выплавке 1,5 млн. тонн чугуна.

Учитывая эти технологические эффекты рассчитан экономический эффект по калькуляции себестоимости выплавляемого чугуна при использовании богатых железных руд Яковлевского месторождения для получения доменного агломерата, который состовляет 60-75 млн. долларов в год за счет прироста производительности доменной печи и 15 млн. долларов за счет экономии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации поставлена задача повышения эффективности агломерации железорудной шихты, содержащей мартитовые и гидрогематитовые руды. Приведены экспериментальные и теоретические исследования, которые в совокупности представляют научно обоснованные технические решения по определению рациональных условий использования мартитовых и гидрогематитовых руд для получения доменного агломерата.

Основные выводы и рекомендации:

1. Выявлена способность полидисперсных мартитовых и гидрогематитовых яковлевских руд повышать комкуемость агломерационной шихты в 1,25-2 раза и образуется большее количество окомкованных фракций;

2. Установлена математическая зависимость эффективности окомкования агломерационной шихты от концентрации в ней полидисперсных мартитовых и гидрогематитовых руд Яковлевского месторождения и влажности шихты;

3. Использование полидисперсных мартиоовых и гидрогематитовых руд для повышения комкуемости агломерационной шихты увеличивает ее газопроницаемость в 2-4 раза, что позволяет проводить спекание в слое высотой до 450–500 мм;

4. Высокий экономический эффект достигается при переработки богатых железных руд Яковлевского месторождения в агло-доменном производстве, что выражается в экономии технологического топлива и приросте производительности доменной печи.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Луговской Н.Ю. Варианты металлургической переработки железных руд Яковлевского месторождения / Н.Ю. Луговской, В.А. Утков // Записки Горного института, 2012. Т. 202. С. 264-265.

2. Утков В.А. Основность и прочность железорудных агломератов / В.А. Утков, Н.М. Теляков, О.В. Зырянова, М.Г. Яковлев, Н.Ю. Луговской // Записки Горного института, 2012. Т. 202. С. 260-263.

3. Луговской Н.Ю. Исследование процесса окомкования полидисперсных и тонкодисперсных агломерационных шихт / Н.Ю. Луговской, В.А. Утков // Техника и технология, 2013.

№ 2. С. 30-33.