ОСНОВЫ АГЛОМЕРАЦИИ. ЖЕЛЕЗНЫХ РУД

Увлажнение шихты

Для правильного представления о сущности физических из­менений, происходящих при увлажнении горных пород и состав­ляющих их минералов, необходимо исходить из общепризнан­ного в настоящее время различия свойств іводьі, входящей з соприкосновение с горной породой. Наиболее широкое освеще­ние это различие свойств воды получило в работах по гидро­технике и почвоведению.

Для изучения влияния увлажнения на изменение свойств агломерационной шихты рекомендуется классификация форм воды, предложенная известным почвоведом А. Ф. Лебеде­вым [35].

По классификации А. Ф. Лебедева различают следующие формы воды, составляющие в сумме общую влажность горной породы:

1. Парообразная вода, обладающая всеми свойствами газа, занимающая свободные поры и пустоты в породе.

2. Гигроскопическая, или поверхностная вода, адсорбируе­мая в виде водяного пара поверхностью породы.

3. Пленочная вода, удерживаемая молекулярными силами сцепления между частицами породы и водой. Отделение пле­ночной воды от породы может быть осуществлено центрифуги­рованием или термическим путем. Пленочная вода не подчи­няется силам тяжести и не передает гидростатического давле­ния. Передвигается как жидкость с частиц с большой толщиной пленки к частицам с меньшей толщиной. Не замерзает при — 1,5° С.

4. Гравитационная вода, занимающая поры между части­цами, окруженными водной пленкой. Передвигается под влия­нием силы тяжести, передает гидростатическое давление. К этой же категории относится и капиллярная вода.

Помимо приведенной качественной классификации виде® воды, А. Ф. Лебедевым введены следующие понятия и определе­ния, относящиеся к представлениям о гигроскопичности пород.

Максимальная гигроскопичность породы отвечает влаж­ности, при которой все частицы ее окружены сплошным ионо - молекулярным слоем воды.

Максимальная молекулярная влажность отвечает влажно­сти, при которой все частицы породы окружены многомолеку­лярным слоем воды, толщина которого определяется молеку­лярными силами, действующими на разделе фаз порода — вода.

Капиллярная влагоемкость отвечает заполнению водою всех капилляров породы.

Полная влагоемкость отвечает заполнению водою всех вооб­ще пустот и капилляров, содержащихся в породе.

Влажность и объемный вес руд. Увлажнение мелких и тон­ких руд сопровождается изменением их объемного веса. Объем руды увеличивается до достижения какой-то критической влаж­ности, переход через которую сопровождается уплотнением ча­стиц руды и уменьшением объема. Свойство руд изменяться в объеме в зависимости от влажности, имеет большое значение для агломерации и широко используется при подготовке шихты к спеканию.

Исследование изменений объемных весов трех типичных разновидностей руд при различной их крупности было прове­дено в институте «Механобр» в 1948 г. Исследовали руды сле­дующих классов крупности, мм: 6—0; 1—0; 0,15—0; 0,10—0;

0, 053—0; 0.074—0; 0,044—0, а также отдельные фракции, мм: 0,15—0,10; 0,15—0,076; 0,074—0,044 и минус 0,044.

На основе результатов исследований построены кривые, представленные на рис. 32, 33, 34.

Характерным отличием кривых является наличие отчетливо выраженных максимума и минимума, отвечающих наиболь­шему и наименьшему значению объемного веса материалов в зависимости от степени увлажнения. Следует отметить, что точ­кам, отвечающим наименьшему объемному весу, т. е. наиболее рыхлому состоянию материала для всех крупностей, соответ­ствует примерно одна и та же влажность, причем для кристал­лических магнетитавой и гематитовой руд эти точки более от­четливо выражены, чем для аморфной керченской руды.

Для влажного материала крупностью 6—0 и 1—0 мм (см. табл. 14) разница в объемных весах несколько сглаживается, увеличиваясь пропорционально степени измельчения руды.

В табл. 14 приводятся цифры для руд с влажностью, от­вечающей наименьшему их объемному весу.

Рис. 33. Зависимость между объемным весом и влажностью криворожской гематитовой руды различной крупности

Рис. 32. Зависимость между объемным весом їй 'Влажностью пудожгорского магнетита различной крупности

Влажность, % Рис. 34. Зависимость между объемным весом и влажностью керченской табачной руды различной крупности

Изменение наименьших значений объемных весов влажных руд разных классов

Объемный вес тонкоизмельченных (0,15 мм и ниже) руд зна­чительно меньше по сравнению с объемным весом руд круп­ностью 6—0 мм. Эта разница для сухого материала приведена в табл. 15.

Как видно из табл. 14, снижение крупности руды с 6—0 до

I— 0 мм приводит к уменьшению объемного веса для плотно - кристаллических руд на 11,2 и 33,2%, а для рыхлого бурого железняка на 6,5%.

С переходом к тонкому измельчению (—0,15 мм) все три категории руд дают уменьшение объемного веса от 28 до 39%. Указанное обстоятельство оказывает существенное влияние на условия спекания тонкоизмельченных материалов. В формулу
подсчета производительности агломерационных машин объем­ный вес спекаемого материала входит в качестве одного из со­множителей, поэтому уменьшение объемного веса шихты сни­зит пропорционально и производительность агломерационной машины, если не будет обеспечено соответствующее повышение вертикальной скорости спекания.

Изменение объемного веса руд с повышением степени из­мельчения и увлажнением можно подсчитать по формуле

где Pi — объемный вес руды в сухом состоянии;

Р —объемный ззес руды во влажном состоянии;

W —-нор озность слоя.

Вычисленная по этой формуле порозность для трех разно­видностей вышеупомянутых руд различной крупности при влаж­ности, обеспечивающей наименьшей объемный вес, приводится в табл. 16.

Данные таблицы показывают, что для керченских бурых же­лезняков имеет место резкое уменьшение рыхлости загрузки с повышением степени измельчения руды, в то время как для мапнетитовых руд и красных железняков это изменение незна­чительно.

Водные свойства руд и концентратов определяют их отно­шение к процессу окомкования — одному из важнейших про­цессов подготовки шихты гк спеканию.

Исследование процесса окомкования руд. Процесс укрупне­ния мелких частиц протекает по мере увлажнения руды с после­довательно возрастающей активностью, достигая наибольшей скорости при так называемой «оптимальной влажности». Ско­рость окомкования и качество комков (форма, размер, проч­ность), помимо увлажнения, зависят также от внешнего воздей­ствия механизма, в котором происходит смешивание руды с водой.

Явление окомкования руд под действием влаги с одновре­менным механическим воздействием получает практическое зна­чение в пределах между' капиллярной и полной влагоемкостью руды. Очевидно, что чем больше этот, интервал, тем больше воз­можностей управлять процессом окомкования шихты при ее увлажнении.

Окомкование рудных частиц заметно начинает проявляться по достижении полной молекулярной влагоемкости и приобре­тает необходимое развитие в стадии капиллярной и полной вла­гоемкости.

Исследование, проведенное с рудами различной крупности и химико-минералогического состава, показало, что для тонко-

измельченных руд капиллярная и полная влагоемкость совпа­дают [36].

Капиллярная влагоемкость определялась по методу капил­лярного насыщения водой колонок руды. Для этого руду загру­жали в патрон диаметром 40 мм и высотой 120 мм с сетчатым дном, покрытым кружком фильтровальной бумаги.

Патроны устанавливали на несколько слоев фильтровальной бумаги, лежащей на дне противня, наполненного водой, так что края патрона на 2—3 см погружались в воду. Для предотвраще­ния испарения воды из патрона последний закрывали сверху фарфоровой крышкой. Патрон через каждые двое суток взвеши­вали, а по достижении постоянного веса определяли количество поглощенной влаги по разности веса патрона с рудой до и после насыщения.

К весу поглощенной воды добавлялся еще вес исходной гигроскопической влаги руды. Вычисленная таким образом вла­га представляла собою капиллярную влагу руды, выраженную в весовых процентах.

Объемную влагоемкость вычисляли делением веса погло­щенной воды на объем патрона.

Для определения полной влагоемкости патрон с рудой по­гружали в воду до полного насыщения, что проверялось дости­жением постоянного веса патрона. Количество поглощенной во­ды давало величину полной влагоемкости руды.

Полную молекулярную влагоемкость определяли компенса­ционным методом.

Проведенные опыты показали, что капиллярная влагоемкость повышается с уменьшением размера зерен (табл. 17). Наи­меньшая молекулярная влагоемкость оказалась у руд с ярко выраженной кристаллической структурой (пудожгорская руда) и наибольшая у руды, имеющей в своем составе значительное количество глинистых примесей (керченская руда).

Разницу количественного поглощения капиллярной влаги следует искать в различном проявлении капиллярных сил, ко­торые, по-видимому, будут больше у руд, обладающих большей капиллярной влагоемкостью.

Капиллярные силы обусловлены поверхностным натяжением воды. Величина капиллярного давления пропорциональна по­верхностному натяжению и обратно пропорциональна радиусу капилляра и плотности жидкости.

Капиллярное давление в руде можно определять, пользуясь прибором, изображенным на рис. 35.

В табл. 18 приводятся данные по определению капилляр­ного давления в рудах разной крупности и колошниковой пыли.

Данные табл. 18 показывают, что в тонкоизмельченных ру­дах капиллярное давление больше, чем в крупнозернистых.

Молекулярная, капиллярная и полная нлаггимкость
трех типовых руд и колошниковой пыли

Капиллярное давление при увлажнении различных руд
и колошниковой пыли

Соответственно этому и прочность образовавшихся комков из тонкоизмельченных руд и концентратов должна быть выше, что и подтверждается практикой.

Знание абсолютного значения капиллярного давления еще недостаточно, чтобы судить о склонности руды к окомкованию. Например, капиллярное давление керченской руды меньше, чем пудожгорской и криворожской, однако склонность к окомкава - нию и прочность связи комков у керченской руды выше, чем у пудожгорской и криворож­ской руд. Очевидно, кроме ка­пиллярных сил, на интенсив­ность и прочность связи частиц оказывают влияние и другие факторы, изучение которых требует разработки специаль­ной методики.

Наблюдение за формирова­нием комков при увлажнении руд показывает, что благода­ря капиллярным силам вода распределяется более или ме­нее равномерно на значитель­ном расстоянии от точки, в ко­торую упала капля. Радиус распределения, по-видимому, зависит от капиллярного дав ления руды. Частицы руды, по­глощая воду, соединяются в комки, увеличивающиеся з раз­мерах по мере возрастания влажности. Последовательный рост комков позволяет поду­чать их различной крупности, что регулируется количест вом воды и продолжительностью окомкования.

Равномерное распределение материала, казалось бы, должно было сопровождаться обра­зованием комков одинаковых размеров при наличии достаточ­ного времени для распределения. Практически же размер ком­ков различный вследствие того, что в центрах увлажнения имеется неодинаковый избыток воды, способствующий образо­ванию комков различной крупности. Эти комки сохраняют свой размер даже после выравнивания влажности всей смеси. Избы­точная влажность появляется также в процессе формирования комков под влиянием внешних воздействий, уплотняющих ко­мок в результате более компактного распределения в нем от­дельных частиц. Благодаря этому зарождение новых центров комков и рост их происходят даже на значительном удалении

от мест увлажнения. Понятно, что ближе к месту увлажнения процессы зарождения новых центров и рост [комков протекают интенсивнее, чем в отдаленных участках. Способность рудных частиц к перемещению относительно друг друга под влиянием внешних воздействий, т. е. относительная «подвижность», или мобильность, частиц, и связанная с этим «переукладка» их за­висят, по-видимому, от специфических природных свойств ру­ды, которые следует учитывать при выборе конструкции оком - кователя и способа увлажнения.

Интенсивность и качество окомкования, помимо природных свойств руд, в значительной степени зависят от способа увлаж­нения и условий перемешивания руды с водой. Так как центром зарождения комка является капля воды, введенная в руду или образовавшаяся в процессе перераспределения и более компакт­ной укладки частиц материала /в уже сформировавшемся ком­ке с освобождением части влаги, то важно создать наибольшее число центров. Это достигается посредством распыления воды и динамических воздействий смесительного аппарата. Струй­ная подача воды, как это имеет место в существующих смеси­тельных барабанах, не удовлетворяет этим условиям, в особен­ности при работе на тонкоизмельченных концентратах. Струй­ное увлажнение посредством перфорированной трубки, распо­ложенной в центре барабана параллельно его геометрической оси, сопровождается сильным переувлажнением в зоне действия брызгал. Для получения равномерной влажности в этом слу­чае требуется большая длина барабана. Последний участок на пути шихты в барабане должен служить только для окомкова­ния. Вода на него не должна подводиться во избежание пере­увлажнения и размыва уже сформировавшихся комков.

Увлажнять шихту целесообразно также паром, так как в этом случае достигается массовое одновременное зарождение центров комков и вместе с тем происходит подогрев шихты, который повышает, производительность агломерационной ма­шины.

Окомкование в отдельности руд и концентратов — более простой процесс, чем окомкование шихт, содержащих различ­ные количества отличающихся по крупности и физико-химиче­ским свойствам главнейших компонентов: коксика, возврата, известняка. Очевидно, и стойкость комков так же будет иной.

Исследование этого вопроса было проведено на концентрате из криворожских кварцитов с содержанием 60% Fe и 12% Si02 крупностью:

Фракции

мм. +1,65 1,65—0,59 0,59—0,32 0,32—0,15 0,15—0,044 —0,044

Выход, % — 0,2 0,8 5,5 27,7 65,8

Окомкование концентрата при оптимальной (влажности про­изводили в барабане длиной 980 мм, диаметром 500 мм при 50 об/мин, изменяя продолжительность процесса окомкования. Полученные результаты приведены в табл. 19.

Лучший гранулометрический состав соответствует четырех­минутному пребыванию концентрата в барабане.

Влияние добавок возврата на окомкование концентрата по­казано в табл. 20.

Добавка возврата улучшает процесс окомкования, что видно из сопоставления цифр табл. 19 и 20. При дозировке возврата 20% и выше уменьшается выход крупных фракций 6—3 мм и повышается выход фракций средних размеров — от 3 до 0,59 мм.

8 А. М. Парфенов

Влияние па окомкование концентрата добавок различных количеств коксика и известняка показано соответственно в табл. 21 и 22.

Как следует из табл. 21, добавка небольшого количества коксика не отражается на процессе окомкования концентрата, но при добавке свыше 7% является серьезной помехой образо­ванию прочных комков. При добавках 8 и 9% коксика комки легко рассыпаются и имеют неровную внешнюю поверхность.

Дуализируя табл. 22, можно сделать заключение, что добав­ка известняка не ухудшает процесса окомкования.

Прочность комков, проверявшаяся просасыванием холод­ного и горячего воздуха при вакууме 900 —950 мм вод. ст.. ока­залась пониженной при добавках коксика, а для концентратов без добавок и с добавками известняка она практически одина­кова.

Для окомкования шихты, помимо нескольких существующих конструкций барабанов окомкователей, в последнее время пред­ложен тарельчатый окомкователь, называемый также чаше - зым или дисковым окомкэвателем. Принцип действия нового аппарата тот же, что и у барабана, т. е. последовательное на­катывание мелких частиц шихты на увлажненные центры ком­ков в процессе перемещения их по плоскости окомкователя. Процесс окатывания и уплотнения комков в новом аппарате протекает вполне удовлетворительно, однако производитель­ность его мала.

В результате смешивания и окомкования шихта находится в разрыхленном состоянии, в чем легко убедиться измерением ее объемного веса. Это состояние весьма ценно для агломера­ции, но оно легко может быть потеряно при загрузке шихты па спекательную машину, если не будут приняты меры к предот­вращению уплотнения шихты и разрушения составляющих ее комков. В основном это достигается путем снижения высоты между окомкователем и колосниковой решеткой спекательной машины (что часто проектировщиками фабрик не выполняется) и блокировкой скорости движения спекательной машины с ме­ханизмом, загружающим шихту на колосниковую решетку ма­шины.

Снижением высоты падения шихты уменьшается опасность уплотнения ее, а автоблокировка питания и скорости движения машины предотвращает скопление шихты перед выравниваю­щим щитком и тем самым исключает уплотнение шихты. Вопро­су загрузки-укладки шихты на спекательные машины в послед­нее время уделяется большое внимание; в связи с этим появи­лись новые конструкции машин для рыхлой, равномерной ук­ладки шихты.