ОСНОВЫ АГЛОМЕРАЦИИ. ЖЕЛЕЗНЫХ РУД

Организация научно-исследовательских работ. и методика исследований

При планировании горнометаллургической промышленности, а также при проектировании металлургических заводов и рудо­подготовительных фабрик возникает необходимость более или менее точного определения технических показателей обогащения рудного сырья и спекания концентратов обогащения или рудной мелочи, если последняя не нуждается в обогащении. Показатели спекания и обогащения можно получить обработкой сырья вновь проектируемого предприятия на какой-либо действующей агло­мерационной фабрике или же в результате испытания условий спекания этого сырья в лабораторном или полупромышленном масштабе. Первый способ, связанный с крупными затратами средств на добычу и перевозку руды к действующей фабрике, приводит к нарушению деятельности фабрики на весь период - опытов и все же далеко не всегда позволяет получить исчерпы­вающие сведения, необходимые для технико-экономических рас­четов. Гораздо целесообразнее пользоваться методом лаборатор­ных испытаний, позволяющим с меньшими затратами и в корот­кие сроки получить более полный материал, характеризующий показатели обогащения и агломерации руд. Обобщение резуль­татов лабораторных исследований с классификацией их по ти­пам испытанных руд дает возможность ориентироваться в выбо­ре технологической схемы обогащения руды и спекания кон­центратов намеченного к эксплуатации месторождения и с до­статочной точностью судить о возможных технических и эконо­мических показателях процессов рудоподготовки.

Систематизация результатов лабораторных исследований, по­мимо этого, дает ценный материал для теоретических выводов.

Лабораторные исследования проводятся, как правило, на пе­риодически действующих небольших агломерационных установ­ках, крайне простых по конструкции.

Кроме агломерационной установки, лаборатория должна рас­полагать необходимым минимумом вспомогательного оборудова­ния, как-то: набором сит для определения фракционного состава руды и агломерата; приборами для испытания прочности агло­мерата; десятичными и техническими весами, железными против­нями и ендовками для хранения руды, агломерата и других про­дуктов спекания; сушильным шкафом с термометром; ртутными термометрами со шкалой до 360° для замера температуры отхо­дящих газов и термопарами для замера температуры спекания и плавления руд; V-образным жидкостным вакуумметром и дру­гим оборудованием.

Основное оборудование лаборатории — агломерационная установка — состоит из агломерационной чаши, небольшого пы­леуловителя и эксгаустера с мотором. На пути от агломерацион­ной чаши до эксгаустера газопровод должен быть оборудован диафрагмой и микроманометром для замера количества отхо­дящих газов. Для периодических замеров температуры агломе­рата и температуры в зоне спекания необходимо иметь одну или несколько термопар с гальванометром. Размеры и конструкции агломерационных опытных чаш применяются самые разнообраз­ные, что зависит в основном от технических возможностей и на­значения лаборатории. В крупных лабораториях, систематически занятых испытанием нового вида сырья и особенно связанных с геологоразведочными партиями, производящими предваритель­ные разведки с добычей небольших проб руды, крайне важно располагать оборудованием, допускающим проведение опытов с навесками от нескольких десятков граммов до сотен килограм­мов. В таких лабораториях рекомендуется устанавливать агло­мерационные чаши нескольких размеров, независимых друг от друга. На небольших установках удобно производить всевоз­можные качественные опыты и работы по изучению теоретиче-

ских основ процесса спекания, а на больших уточнять техноло­гическую схему агломерации того или иного вида сырья и рас­ходные коэффициенты. В зависимости от наличия испытуемой руды или концентратов опыты проводятся в аппарате большего или меньшего размера.

На рис. 67 представлена схема лабораторной агломерацион­ной установки, применяемой в институте «Механобр». Установка состоит из нескольких круглых и одной прямоугольной чаш с дву­сторонним отсосом газов в общий коллектор, присоединенный к двум спаренным эксгаустерам высокого давления.

Эксгаустеры соединены между собой так, что могут быть включены в последовательную и параллельную работу. При по­следовательной работе эксгаустеров наибольший вакуум дости­гает 1200 мм вод. ст., при параллельной работе—600 мм вод. ст. Размеры диаметров круглых чаш: 200; 250 и 350 мм, чаша с пря­моугольной колосниковой решеткой оборудована съемными ста­канами для шихты размерами 250X250 и 100x100 мм и круглым стаканом диаметром 50 мм, рассчитанным для работы с навеска­ми 300—500 г.

Особенно удобна для оборудования лабораторий чаша с пря­моугольной колосниковой решеткой, представленная на рис. 68. Наличие одной такой установки с набором различной емкости стаканов для шихты вполне заменяет установку многих чаш разной емкости. Для того чтобы изучать структуру агломерата

на определенных этапах процесса или по окончании спекания, один стакан для шихты делается разъемным (рис. 69); раскрыв его, можно наблюдать состояние шихты и агломерата в любой промежуток времени от начала спекания.

Получаемый в лаборатории агломерат подвергается всесто­ронним исследованиям его качеств. К таковым относятся: грану­лометрический состав, проч­ность, пористость, восстано­вимость и химико-минерало­гический состав.

Прежде чем приступить к лабораторным опытам спе­кания необходимо произве­сти химические и ситовые анализы исходных материа­лов, для чего требуется ото­брать представительные про­бы руды, коксика и других компонентов шихты.

При взятии проб необхо­димо помнить, что вес ее должен быть тем больше, чем крупнее и чем менее од­нородна руда. Зависимость между весом пробы и круп­ностью руды выражается ра­венством Ріис. 69. Разъемный стакан к прямо-

угольной чаше

q = Kd

где q — вес пробы, кг;

К — коэффициент, зависящий от однородности руды; d — наибольший диаметр кусков руды в пробе.

Для железных руд значение К может быть принято в преде­лах 0,75—1,5. При поступлении для исследований больших по весу проб необходимо путем сокращения после тщательного пе­ремешивания взять пробу для опыта в количестве, соответству­ющем емкости агломерационной чаши.

Наиболее распространенным способом перемешивания явля­ется метод кольца и конуса, состоящий в следующем: руда насы­пается на пол в форме круглого диска, из которого путем пере­сыпания лопатой из центра на периферию делают кольцо. Из кольца, забирая лопатой или совком небольшие порции руды с внутренней его стороны, насыпают в центре кольца конус до тех пор, пока весь материал не будет перелопачен. Затем лопатой или доской, погруженной в вершину конуса, последний развора­чивают снова в кольцо; дальше повторяются описанные уже one-
рации. Процесс перемешивания в зависимости от требований к качеству смешивания повторяют несколько раз.

Хорошо перемешанная проба руды сокращается до желатель­ных размеров.

Простым и надежным способом сокращения является кварто­вание. Конус, образованный в процессе перемешивания, разрав­нивается в плоский диск небольшой толщины, который взаимно перпендикулярными бороздами делится на четыре равные части. Соединяя противоположные секторы, получают две пробы, каж­дая из которых составляет половину веса исходной пробы. Со­кращают столько раз, сколько требуется для получения пробы заданного веса.

Проба для химического анализа должна быть измельчена до крупности 0,15—0,20 мм; готовят ее сокращением и последова­тельным измельчением полученной части.

Пробой для ситового анализа может служить одна из сокра­щенных частей общей пробы.

Вследствие того что большинство железных руд изменяет не­которые свои свойства в зависимости от влажности, необходимо, чтобы всем опытным операциям сопутствовало определение вла­жности руды. Для этого берется навеска руды весом от 100 до 300 г, помещается в предварительно взвешенную фарфоровую чашку и сушится в термостате до постоянного веса. По потере в весе после сушки определяют содержание влаги в руде. Кроме влажности, необходимо определить объемный или насыпной вес руды. Для этого взвешивается определенный объем руды и вес пересчитывается на единицу объема, выражаемого в т/м3.

Опытам по агломерации обычно предшествует исследование физико-химических, а также водных свойств руды. С этой целью от пробы, взятой для опытов, методом сокращения отбираются пробы, направляемые на минералогический анализ, для опреде­ления водных свойств, газопроницаемости и условий окомкова - ния при увлажнении.

При очень малом весе пробы испытуемой руды часть ее, выде­ленная для определения характеристики крупности, после окон­чания ситового анализа может быть использована для опытов по спеканию, причем фракции, выделенные при ситовом анализе, должны быть вновь объединены и тщательно перемешаны.

Шихта для лабораторных опытов дозируется по весу.

Шихта первого опыта состоит обычно лишь из руды (или кон­центрата) и топлива и предназначается для получения возврата. Ввиду отсутствия возврата этот опыт протекает с малой верти­кальной скоростью спекания вследствие недостаточней газопро­ницаемости шихты. Для некоторых руд спекание без возврата протекает настолько неудовлетворительно, что неспекшийся ма­териал часто представляет совершенно не затронутую спеканием

сырую руду. В этом случае к этой же шихте добавляется еще топливо и опыт повторяется.

Повторное спекание в большинстве случаев обеспечивает пол­ностью потребность в возврате следующего опыта.

Лабораторные опыты делятся на ряд серий, каждая из кото­рых преследует цель — выяснение оптимального содержания в шихте какого-либо компонента (топлива, влаги, возврата), а при установленном оптимальном составе шихты — выяснение следу­ющего режима процесса спекания.

Рекомендуется первую серию опытов проводить для выясне­ния оптимальной влажности шихты. Оставляя постоянным коли­чество топлива и возврата, изменяют влажность шихты с интер­валом между опытами в 2%. Увлажнение шихты начинают с ко­личества, меньшего на 2—3% по сравнению с полученным по кри­вой оком кован и я при определении интенсивности окомкования руды. Спеченный материал после каждого опыта взвешивается и подвергается рассеву на отдельные фракции с определением общего выхода от шихты, а также агломерата и возврата от­дельно. Под агломератом подразумеваются куски размером бо­лее 20—25 мм. Материал 20—0 или 25—0 мм рассматривается как возврат. Фракция 25—10 или 20—10 мм выделяется из воз­врата для постели, мелочь же 10—0 мм представляет собствен­но возврат.

По установленной оптимальной влажности шихты следующая серия опытов проводится с переменным количеством топлива и, если в этом возникает необходимость, с переменным количеством возврата или других добавок. Опыты по выяснению влияния ва­куума на результаты спекания проводятся на установленной предварительными экспериментами оптимальной шихте.

По результатам каждой серии опытов (определение оптималь­ной влажности, количества топлива и возврата, а равно и других составляющих шихты, влияние вакуума и т. д.) составляют таб­лицы, по которым можно построить графики.

Основным назначением опытов является установление опти­мальной шихты и условий спекания, обеспечивающих наиболь­шую удельную производительность установки. Для получения скорых и надежных результатов необходимо придерживаться единообразной методики проведения всех опытов с применением одних и тех же вспомогательных приемов по подготовке, загруз­ке и зажиганию шихты, по определению конца процесса спека­ния и разделке агломерата.

Покажем на примере последовательность отдельных опера­ций и расчет показателей процесса при производстве опыта агло­мерации железной руды.

От тщательно перемешанной пробы руды, предназначенной для проведения испытаний, берется навеска соответственно ем-

1Ь А. М. Парфенов кости опытной агломерационной чаши. Затем отвешивается за­данное количество коксика, возврата и других компонентов, если опыты проводятся на сложной шихте. Все отвешенные компонен­ты тщательно смешиваются в сухом виде вручную на противне или в механическом смесителе периодического действия в тече­ние 2—3 мин., после чего шихта, при непрерывном перемешива­нии, увлажняется струйной подачей заранее заданным и точно отмеренным количеством воды. В процессе увлажнения проис­ходит окомкование шихты с отчетливо видимым распростране­нием воды в массе шихты, приобретающей по мере смешивания все более и более однородный характер.

Процесс перемешивания шихты в зависимости от ее количе­ства продолжается от 5 до 10 мин., а иногда и больше. При спе­кании тонких шихт перемешанная шихта подвергается окомкова - нию в гладком барабане. Когда перемешивание и окомкование шихты закончено, отвешивают определенное количество постели, распределяют ее на колосниковой решетке агломерационной ча­ши равномерным слоем и приступают к загрузке шихты. Шихта загружается совком или из ведра рыхлым ровным слоем без уп­лотнения. При отсутствии газа для зажигания шихты поверхность последней покрывается тонким слоем древесного угля и коксика в количестве до 1 % от веса шихты и смоченной в керосине дре­весной стружкой высотой около 50 мм. Стружка служит для вос­пламенения шихты. Количество стружки и керосина во всех опы­тах должно оставаться постоянным.

Шихта для опыта приготовляется с небольшим избытком, по­этому после загрузки ее в агломерационную *Гашу до заданной высоты слоя остаток взвешивается и вычитается из общего веса приготовленной шихты, с тем чтобы все дальнейшие расчеты про­изводить исходя из количества шихты, загруженной в чашу.

После того как шихта загружена, подключается вакуумметр и термометр для замера температуры отходящих газов, одновре­менно зажигают шихту и включают эксгаустер. С этого момента через каждые полминуты или минуту в журнал записывается ве­личина разрежения под колосниковой решеткой и температура отходящих газов. Вскоре после пуска эксгаустера вакуум достигает своего наибольшего значения и по мере продвижения зоны горения вниз постепенно уменьшается. Температура же от­ходящих газов постепенно и иногда очень медленно повышается. При наличии прибора для замера количества просасываемого газа каждую минуту записываются показания микроманометра.

Окончание процесса спекания определяется по температуре отходящих газов и вакуумметру. Момент, отвечающий наиболь­шей температуре газов и наименьшему значению вакуума, сви­детельствует о том, что зона горения дошла до колосниковой ре­шетки и раскаленные продукты горения, не встречая на своем

пути шихты, которой они могли бы передать тепло, отсасы­ваются с наибольшей температурой нагрева. Термометр или тер­мопара фиксируют этот момент. Одновременно с повышением температуры отходящих газов происходит постепенное снижение вакуума, так как по мере продвижения зоны горения к колосни­ковой решетке воздух встречает на своем пути не шихту, а аг­ломерат, газопроницаемость которого больше, чем газопрони­цаемость шихты.

Для правильного определения конца опыта крайне важно, чтобы термопара была установлена близко от колосниковой ре­шетки, так как в противном случае неизбежно некоторое отстава­ние в ее показаниях от фактического подъема температуры. Вследствие этого может быть завышена продолжительность про­цесса спекания, а это приведет к ошибкам в последующих расче­тах.

Лабораторный опыт продолжается 5—8 мин. Опоздание в оп­ределении конца операции на 1 мин. приводит к ошибке в расче­тах продолжительности процесса на 20 и 13,5<у0, что соответст­венно повлечет за собой ошибки в расчетах, связанных с опре­делением удельной производительности установки и необходи­мого количества машин на проектируемой фабрике.

По окончании процесса спекания агломерат разгружается на железный противень, разбивается ломиком на несколько кусков, или, по аналогии с разгрузочным концом машины, сбрасывается с высоты 1 — 1,5 ж на чугунную плиту, взвешивается и вес запи­сывается в журнал. После этого делается ситовый анализ агло­мерата с определением выходов: кускового годного агломерата крупностью больше 25 мм, постели крупностью 25—12 или 25— —10 мм и возврата крупностью 12—0 или 10—0 мм. При опреде­лении общего выхода спекшегося материала необходимо из по­лученного веса вычесть вес постели, положенной на колосники в начале опыта.

После обработки спеченного материала и занесения всех за­писей в журнал можно приступить к производству необходимых расчетов. Эти расчеты сводятся к определению:

1) вертикальной скорости спекания — С, м/мин;

2) выхода годного агломерата из шихты, %;

3) насыпного веса годного агломерата, у т/м9;

4) удельной производительности установки т/м2 час. Обозначим:

Q — вес шихты, кг-,

m— вес постели, кг;

А — выход из чаши всего спеченного материала, кг;

Qr—вес годного агломерата, кг;

Ь — вес возврата, кг;

t —время спекания, мин.;

h —высота спекаемого слоя, м

Ьш— необходимое количество возврата в шихту, кг. Вертикальная скорость спекания определяется из равенства

В зависимости от свойств руды скорость спекания изменяет­ся в широких пределах -— от 0,010 до 0,040 м/мин и больше.

Выход годного агломерата К требует предварительного опре­деления общего выхода спеченного материала

А = (Q—пг) кг или А ' —-, %

и определения выхода возврата

b — А — Qr, кг или Ь ' j°° , %,

если Ь<.ЬШ, то недостающее количество возврата следует вычесть из веса годного агломерата Qr и лишь после этого определить выход годного агломерата, который будет равен

Qr = А — (Ь ba),

где Ь а — количество возврата, взятое от годного агломерата, % от шихты:

К = <Ь-100-%.

V

Насыпной вес шихты у определяется взвешиванием точно оп­ределенного объема.

Удельная производительность установки равнабОС-у ■ К т/час • м2.

Зная вертикальную скорость спекания, выход годного агло­мерата и насыпной вес шихты, можно определить производитель­ность промышленной агломерационной машины непрерывного действия путем умножения удельной производительности на пло­щадь машины:

<2час = 60-F-C‘^-K m/час, где Q4ас — производительность агломашины, т/час;

F — площадь машины, м2

с, у, К — имеют значения указанные выше.

К полученным расчетным данным опыта остается только до­бавить характеристику прочности, пористости, химического со­става и восстановимости полученного агломерата. Методика про­изводства испытаний прочности и оценки металлургических свойств изложена подробно в главе «Оценка качества агломера­та», здесь же следует только указать, что при лабораторных опы­тах спекания часто получается слишком мало агломерата, чтобы брать достаточное его количество для каждого вида испытаний. Поэтому приходится часто ограничиваться наиболее характерны­ми испытаниями, к которым следует отнести барабанную пробу и анализ на содержание закиси железа.

Полному химическому анализу подвергаются агломераты, по­лученные при оптимальном составе шихты, да и то лишь в том случае, если возникает необходимость последующих металлурги­ческих расчетов доменных шихт.

При 'производстве химических анализов агломератов следует имеЬь в виду чрезвычайно трудную их растворимость. в кислотах, поэтому почти во 'всех случаях агломерат приходится сплавлять с содой, а иногда и с перекисью натрия.

Приведенная общая методика производства опытных работ не изменяется и в случаях специальных исследований по изуче­нию влияния на процесс спекания того или другого фактора. Исследуется ли влияние вакуумного и воздушного режима, устанавливается ли влияние какой-либо добавки к шихте и т. д. —- во всех случаях предварительно должен быть установлен оптимальный режим спекания руды, по которому проводится исследование.

Агломерационный процесс имеет ту замечательную особен­ность, что проведенный даже в самом небольшом лабораторном масштабе он воспроизводит с большой полнотой процесс промыш­ленного масштаба и свойственные промышленному процессу рас­ходные коэффициенты. Поэтому при проектировании агломера­ционных фабрик можно уверенно пользоваться данными лабо­раторных опытов почти без поправок при условии, конечно, что лабораторные опыты проводились методически правильно и не содержат ошибок экспериментального или расчетного порядка.

На основании проведенных исследовательских работ не пред­ставляет труда установить технологическую схему агломераци­онной фабрики, произвести соответствующие расчеты шихт, опре­делить потребность в оборудовании, подсчитать грузопотоки и т. д., т. е. сделать все необходимые расчеты для разработки проек­та фабрики.

Выбору технологической схемы предшествует определение следующих показателей:

1) состава шихты и подготовки к спеканию отдельных ком­понентов;

2) условий смешивания шихты и количество стадий смеши­вания;

3) расхода топлива на зажигание шихты и условий зажига­ния;

4) оптимального вакуума для спекания;

5) схемы охлаждения агломерата и использования тепла воз­врата.

Все эти вопросы находят свое освещение при проведении опытных работ по описанной выше методике, но одни из них слу­жат объектом непосредственного исследования, как например, состав шихгы, оптимальный вакуум спекания, расход топлива на зажигание, другие же, как например, условия и стадиальность смешивания, схема охлаждения агломерата и некоторые опера­ции подготовки компонентов к спеканию не получают прямого решения в процессе обычных опытных работ и нуждаются в про­ведении специальных исследований. Например, для решения во­просов подготовки к спеканию отдельных компонентов шихты может возникнуть необходимость в проведении исследований по грохочению или дроблению некоторых компонентов шихты с разработкой рациональной схемы и выбором соответствующей аппаратуры.

Другой пример: при проведении опытных работ по подбору оптимального состава шихты и условий спекания относительно нетрудно установить простым наблюдением, как протекает сме­шивание н окомкование шихты, но нельзя определить эффектив­ность смешивания без проведения специального исследования, нуждающегося не только в основном спекательном оборудова­нии, но и во вспомогательном, как например, грохота, дробилки, смесители, и т. д.

После обработки опытных данных и тщательной проверки полученного цифрового материала можно приступить к техноло­гическим расчетам проекта и в первую очередь к расчету коли чественной схемы фабрики.