ОСНОВЫ АГЛОМЕРАЦИИ. ЖЕЛЕЗНЫХ РУД

Классификация и характеристика железных руд

Железные руды делятся на четыре основных типа:

1. Магнетитовые руды (содержат железо в виде магнитной окиси Fe304).

2. Геыатитовые руды (Ре20з) -

3. Бурые железняки (железо в форме водных окислов различ­ной степени гидратации: т ■ Fe2C>3 • лН20) ■

4. Шпатовые железняки, содержащие железо в виде углекис­лого соединения — FeC03.

Указанная основная классификация, общепринятая в горной и металлургической практике, позволяет судить о важнейших осо­бенностях руд, свойственных каждому типу. Различные физиче­ские свойства руд предопределяют и различные способы подго­товки их к плавке.

Магнетите в ые руды. Главным носителем железа в этих рудах является минерал магнетит—Fe304, представляющий магнитную окись — закись железа Fe203 • FeO. Магнетит содер­жит 72,4% железа и 27,6% кислорода. Удельный вес магнетита 4,9—6,2.

Характерной отличительной особенностью магнетитовых руд является наличие сильно выраженных магнитных свойств, ис­пользуемых для обогащения их электромагнитным способом.

Под влиянием окислительных процессов, происходящих в при­роде, магнитный железняк частично окисляется в более высокую форму железного окисла с последовательным переходом от Fe304 к Fe203. В результате получаются переходные состояния магнит­ного железняка, содержащие как Fe304, так и Fe203, но сохраняю­щие кристаллическую форму магнетита. Такое явление носит на­звание «псевдоморфизм». Псевдоморфоза окиси железа по маг­нетиту называется мартитом. В зависимости от количества руды, окислившейся от мартита, различают мартиты и по - л у м а р т и т ы.

Полумартитами называют руды, у которых отношение общего железа к дзухвалентному составляет 3,5—7; у мартитов это от­ношение больше 7. Магнетитовые руды чаще, чем другие типы руд, бывают загрязнены серой, а иногда цинком.

Магнитные железняки характеризуются плотной, кристалличе­ской структурой, которая затрудняет восстановление их газами при доменной плавке.

Пустая порода магнитных железняков состоит из минералов первичного происхождения: .полевого шпата, роговой обманки, кварца и др., т. е. минералов, образовавшихся в период затвер­девания расплавленной горной породы, что указывает на магма­тическое происхождение месторождений магнитного железняка.

Гематитовые руды. Железосодержащим минералом в этой группе руд является безводная окись железа Fe203—гема­тит, содержащая 70% железа и 30«/о кислорода. Удельный вес 5,19—5,28.

Физическое строение гематитовых руд весьма разнообразно: от плотных кристаллических до слабых порошковатых разностей. Содержание железа в рудах различных месторождений колеблет­ся в широких пределах. Наиболее богатые залежи красных же­лезняков расположены среди кристаллических сланцев и гней­сов. Вследствие этого пустая порода в основном состоит из крем­незема (Si02) и небольших количеств AI2O3, CaO, MgO. В зави­симости от геологических условий образования месторождений красного железняка пустая кварцевая порода или сплошь про­низывает рудные минералы, или же переслаивается с ними. Ха­рактер распределения пустой породы имеет большое значение при выборе метода обогащения бедных руд. Гематитовые руды, по сравнению с другими железными рудами, содержат меньшее ко­личество вредных примесей (серы, фосфора, мышьяка).

Благодаря большой пористости восстановимость гематитовых руд выше восстановимости магнетитовых.

Бурые железняки. Железными минералами группы бу­рых железняков являются водные окислы железа, выражаемые общей формулой

mFe20:! • лН20.

Как видно из формулы, степень гидратизашш окислов железа, т. е. количество химически связанной с окислом гидратной воды, может быть различно. Известны пять видов бурых железняков, различающихся содержанием гидратной воды: 1) турьит—2Fe203- •Н20 (5,32о/0 гидратной воды); 2) гетит —- Fe203-H20 (10,11% воды); 3) лимонит — 2Fe203-3H20 (14,39% воды); 4) ксантоси - дерит — Fe203-2H20 (18,37о/о воды); 5) лимонит Fe203-3H20 (25,23% воды).

Содержание железа в перечисленных минералах колеблется от 52,31 до 66,31«/0. Удельный вес 3,4—4,0.

Большинство бурых железняков осадочного происхождения. Сопутствующая им пустая порода поэтому представляет собой ми­нералы, выпадавшие из растворов (растворимые минеральные со­ли угольной, фосфорной, серной и других кислот) или же осаж­давшиеся из взмученного состояния (глина, боксит и др.) в пе­риод образования месторождения. Условия происхождения бурых железняков объясняют большую или меньшую степень загрязнен­ности их вредными примесями — фосфором, серой И МЫШЬЯКОМ.

Біаряду с этим встречаются и исключительно чистые место­рождения бурых железняков, как например Бакальское на Юж­ном Урале.

Бурые железняки имеют обычно рыхлое землистое сложение, плотные железняки встречаются реже. Бурые железняки неко­торых крупнейших мировых месторождений имеют порошковатую оолитовую структуру, вследствие этого такие железняки не могут быть использованы в плавке без предварительного окускования.

Вследствие высокой пористости бурых железняков, увеличи­вающейся по мере нагрева руды в результате удаления гидратной воды, восстановимость их выше, чем магнитных и красных желез­няков

Сидериты и шпатовыежелезняки. Типичным желез­ным минералом этой группы является сидерит FeCC>3, содержа­щий 43,8% железа. Удельный вес сидерита 3,7—3,9.

В месторождениях сидерита часть железа в углекислой соли может быть замещена другими металлами с образованием двой­ных солей (Ca-Fe)C03; (Mg-Fe)C03 и др. В этом случае руды носят общее название шпатовыхжелезняков. Сидерит под действием кислорода воздуха и воды легко переходит в бурый железняк, покрывающий обычно поверхность залежей сидерита.

По содержанию железа шпатовые железняки представляют наиболее бедную руду, однако после удаления углекислоты путем обжига содержание железа в них повышается с одновременным увеличением пористости руды, обеспечивающей ей хорошую вос­становимость.

Месторождения сидерита осадочного происхождения (из вод­ных растворов без доступа воздуха). Наиболее распространенные плотные разности сидеритов содержат значительное количество механически примешанной глины, почему и называются глини­стыми сидеритами. Лучисто-жилковатые круглые скопле­ния чистого сидерита называются сферосидеритами. Они часто встречаются в глине, содержащей углерод, который образо­вался из органических веществ в результате геологических про­цессов.

Шпатовые железняки характеризуются большой чистотой в отношении содержания вредных примесей.

Бедные шпатовые железняки можно с успехом обогащать электромагнитным способом с предварительным обжигом руды для придания ей магнитных свойств. В отличие от других типов руд бедные шпатовые железняки можно обжигать без расхода газа па восстановление руды, так как в процессе разложения си­дерита протекает реакция

3FeC03 = Fe304 + 2С02 + СО — 63470 кал,

в результате которой образуется магнитная окись-закись железа и, кроме того, выделяется окись углерода. Последняя может вос­станавливать содержащуюся в руде окись железа до магнитной окись-закиси (Fe203 Fe0) по реакции

3Fe2C), + СО = 2Ре304 + С02.

При территориальной близости месторождений окисленных бед­ных руд и шпатовых железняков совместный обжиг их позволяет придать магнитные свойства обеим разновидностям руд и тем самым обеспечить возможность их электромагнитного обогаще­ния.

Основным показателем качества железной руды является со­держание в ней железа — чем оно выше, тем при прочих равных

условиях лучше руда,- и наоборот. Однако, кроме содержания же­леза, некоторые факторы также повышают или понижают ее цен­ность, к ним относятся: минералогический состав, физическое со­стояние, содержание вредных примесей, удаленность от места по­требления.

Так, например, при содержании железа в рудах в виде БеСОз или /zFe20s-mH20 углекислота и гидратная влага выделяются в доменной печи при относительно низких температурах практи­чески без затраты кокса за счет тепла отходящих газов. Но после их выделения содержание железа в твердом остатке повышается, улучшается также восстановимость железа в этом остатке. В ре­зультате из шпатовых и бурых железняков выплавка чугуна бу­дет стоить дешевле, чем из красных и магнитных при одинаковом содержании железа, а при одинаковой стоимости чугуна можно применять шпатовые и бурые железняки с пониженным содер­жанием железа.

К аналогичному результату приводит наличие в пустой по­роде руды основных (CaO, MgO) и кислотных (Si02, А120з) окислов. Лучшим соотношением между этими окислами являет­ся такое, при котором доменная плавка может проводиться без добавки известняка (самоплавкая шихта). Это снижает относи­тельный вес шлака и сокращает расходы на выплавку7 чугуна; доменную плавку при этом можно вести на рудах с понижен­ным содержанием железа. Такой же результат можно получить при наличии руд с основной и кислой пустой породой, проплав­ляя их совместно без добавки известняка.

Физическое состояние руд и удаленность от мест потребления оказывают влияние на стоимость подготовки руды (дробление, сортировка, окускование и пр.) и ее перевозки.

Учитывая все вышеизложенные факторы, лучше всего этот учет производить на основе показаний опытной доменной плавки; можно сделать заключение об использовании железной руды каж­дого месторождения либо без обогащения, либо с предваритель­ным обогащением по наиболее рациональной для данной руды схеме.

Богатыми рудами называются те, которые применяют в домен­ной плавке без обогащения, бедными — те, которые для этой це­ли требуют обогащения.

Стоимость обогащения зависит от того, насколько легко уда­ется освободить рудные зерна от пустой породы и затем, поль­зуясь различием физических свойств породы и рудных минералов, выделить последние в концентрат.

Очевидно, что чем более крупными зернами представлены руд­ные минералы, тем легче достигается их отделение от пустой по­роды.

При малых размерах рудных минералов появляется необходи­мость в мелком и тонком измельчении руды перед обогащением. Стоимость агломерата из концентратов бедных руд, нуждающих­ся в тонком измельчении перед обогащением, будет выше стои­мости агломерата из концентратов более крупного измельчения.

Магнетитовые руды хорошо и относительно дешево обога­щаются электромагнитным способом; для гематитовых руд чаще применяются гравитационные способы, основанные на разнице удельных весов породы и рудного минерала. В последнее время делаются попытки применения флотационного способа обогаще­ния гематитовых бедных руд и кварцитов.

Бурые железняки можно обогащать обжигмагнитным спосо­бом, при котором магнитные свойства железным минералам со­общаются путем восстановительного обжига руды при температу­ре 550—600°С. Однако этот способ обогащения из-за высокой его стоимости не нашел еще практического применения.

Содержание фосфора, не являясь препятствием к использо­ванию руд, служит критерием для классификации их по пригод­ности для выплавки определенных видов чугуна: бессемеровско­го, мартеновского или томасовского.

В бессемеровских криворожских рудах содержание фосфора должно быть не более 0,022%.

Содержание фосфора, в томасовских рудах должно быть в пределах 0,85—1,2%, что вытекает из сущности процесса произ­водства томасовской стали. Требуемое содержание фосфора в ру­де для выплавки того или иного чугуна может быть определено по формуле

где Р —содержание фосфора в руде,%;

Рj — содержание фосфора в чугуне, %;

Fe — содержание железа в руде, %;

92,5 — содержание железа в чугуне, о/0.

Руды для выплавки передельного мартеновского чугуна пред­ставляют самую распространенную категорию. Желательным ус­ловием во всех случаях является по возможности меньшее содер­жание серы, удаление которой связано с лишними затратами го­рючего и флюсов. Нежелательна также примесь хрома, который при доменной плавке переходит в чугун, а при мартеновской оки­сляется и в виде окиси переходит в шлак, делая последний вяз­ким и густым, что сильно затрудняет мартеновскую плавку. Для руды, содержащей 60% Fe и больше, содержание хрома можно допустить до 0,4о/о.

Большое значение для оценки качества руд имеют ее физиче­ские свойства. Главнейшие из них — кусковатость и влагоемкость

Доменные печи при загрузке в них порошковатой, мелкой ру­ды не могут работать удовлетворительно. Просыпаясь между кусками и закупоривая пустоты, мелочь создает большое сопро­тивление потоку восстановительных газов, вызывая необходи­мость увеличения давления дутья. Наличие большого количе­ства мелочи сопровождается нарушением правильного распре­деления газов по сечению печи, что приводит к расстройству хо­да печи. Значительная часть мелких и тонких фракций руды выносится из печи в виде пыли, что также приводит к наруше­нию, а иногда и расстройству хода печи, не говоря уже о поте­рях руды и затратах на очистку газов, уборку и переработку пыли.

Повышенное содержание в рудах мелких и тонких фракций снижает стоимость руд.

Допустимое содержание в руде мелких фракций зависит от объема печей, в которых проводится плавка, от давления дутья, от соотношения крупных кусков и мелочи, т. е. от гранулометри­ческой характеристики руды. Нежелательными, с точки зрения выноса из печи, являются фракции руды размерами зерен от 2 мм и ниже.

Большой диапазон по крупности между максимальными и ми­нимальными размерами зерен руды также нежелателен, пото­му что это ухудшает газопроницаемость столба плавильных ма­териалов и препятствует форсированию работы доменных печей. Желательно, чтобы в доменную печь поступала руда строго клас­сифицированная по крупности, например 80—50 или 50—25 мм. Для обеспечения этого условия необходимо построить дробильно­сортировочные и агломерационные фабрики.

Большое влияние на условия эксплуатации рудных месторож­дений и переработку руд оказывает влагоемкость руды. Гигро­скопические, влагоемкие руды трудно транспортировать вследст­вие налипания на стенки вагонов, бункеров, воронок и течек.

При отсеве мелочи отверстия сеток грохотов залепляются и разделение руды по крупности прекращается.

Дробление таких руд также представляет значительную труд­ность вследствие залипання рабочих частей дробильного аппа­рата.

Глинистая пустая порода, сопутствующая обычно бурым же­лезнякам, сообщает им пластические свойства. Железные мине­ралы обладают ограниченной влагоемкостью и даже при макси­мальном влагосодержании удовлетворительно проходят через бункера, питатели и воронки. Склонность рудной мелочи при некоторой определенной для каждой руды влажности к прочно­му слипанию с образованием комков большего или меньшего размера создает серьезные затруднения при грохочении руды вследствие залипання сетки грохота. Проведенное институтом «Механобр» исследование грохочения криворожских руд [21], содержащих большое количество тонких фракций, показало, что даже богатые кристаллические руды, каковыми являются гема - титовые руды Криворожья, легко комкуются с ухудшением эф­фективности грохочения. Исследование главнейших рудников Криворожья показало:

1) влажность руды до 4% на эффективность грохочения не влияет; [1] [2]

рой руда настолько интенсивно комкуется, что процесс класси­фикации на грохоте практически прекращается.

Борьба с пластичностью и плохой транспортабельностью влагоемких руд представляет одну из наиболее трудных задач. Если в приведенном примере грохочения криворожской руды затруднения возникают в относительно узком диапазоне влаж­ности и по существу распространяются только на процесс грохо­чения, то в случае бурых железняков пластичность руд наблю­дается в широком диапазоне влажности и затрудняет реши­тельно все операции рудоподготовки. Искусственная сушка та­ких руд облегчает только те операции, которые следуют за суш­кой, трудности же, связанные с транспортом сырой руды в су­шильное отделение и в сушильный агрегат, остаются.

Средством борьбы с пластичностью и плохой транспорта­бельностью бурых железняков является отмывка от них глини­стой пустой породы, что представляет один из распространен­ных способов обогащения бурых железняков.

Кроме руд, применяемых для выплавки мартеновского чу­гуна и называемых поэтому мартеновскими рудами, существует категория руд, носящая это же название, но применяющаяся при переделе чугуна в сталь в мартеновских и электропечах в качестве обязательных добавок. Мартеновские руды отличают­ся высоким содержанием железа—62—65о/0 и плотным сложе­нием кусков. С развитием сталеплавильной промышленности и одновременным уменьшением запасов богатых кусковых руд в некоторых металлургических районах появились серьезные за­труднения по обеспечению заводов богатой мартеновской ру­дой. Возникла необходимость замены богатых кусковых руд обогащенными концентратами.

Основное требование — высокое содержание железа, —- предъявляемое к руде для мартеновского производства, относи­тельно просто достигается путем обогащения. Труднее пригото­вить кусковой материал, приближающийся по своим физиче­ским свойствам и кусковой руде из концентратов обогащения.

В последнее время для мартеновского производства с успе­хом применяют агломерат, технология получения которого не­сколько отличается от технологии производства доменного аг­ломерата [21]. Объемный вес этого агломерата должен быть 3,2—3,3 гісм3.