Технология термической обработки и окускования марганцевых концентратов

          Посвящается творческому содружеству научных и производственных коллективов Украины, России, Грузии, Казахстана в областирудоподготовки и металлургии марганца




               А. В. ПЕТРОВ






ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ОКУСКОВАНИЯ МАРГАНЦЕВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ




                МОНОГРАФИЯ


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК [621.785+622.788]:622.15
ББК 33.4+34.38
     ПЗО







Рецензенты:
Георгий Викторович Губин, доктор технических наук, профессор кафедры металлургии черных металлов Криворожского национального университета;
Борис Николаевич Безъязыкое, кандидат технических наук, доцент






     Петров, А. В.
ПЗО Технология термической обработки и окускования марганцевых концентратов : монография / А. В. Петров. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. - 520 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-0492-1

      Исследовано современное состояние технологических процессов окускования и термообработки марганцевых концентратов, полученных при обогащении руды различного качества и состава. Освещены особенности процессов обогащения и свойства получаемых при этом концентратов. Приведены результаты исследований свойств концентратов и показано их влияние на выбор процесса окускования. Изложены методики проведения исследований технологических процессов окускования и обжига в различных условиях, приведены характеристики качества окускованных продуктов, предназначенных для выплавки ферросплавов в электровосстановительных печах.
      Для специалистов, занятых в процессе подготовки сырья для ферросплавного производства. Также может быть полезно студентам, аспирантам и преподавателям металлургических специальностей.
УДК [621.785+622.788]:622.15
                                              ББК 33.4+34.38


ISBN 978-5-9729-0492-1   © А. В. Петров, 2020
                         © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

Оглавление



Введение................................................................7

Раздел 1 Характерные особенности марганцевых концентратов..............12
1.1 Общие сведения о марганцеворудном сырье и получении концентратов из него...................................................12
   1.1.1 Классификация марганцевых руд и методы их обогащения..........12
1.2 Физико-химические превращения марганецсодержащих минералов при нагревании.........................................................25
   1.2.1 Термическая диссоциация оксидов и карбонатов в марганцевых концентратах........................................................25
   1.2.2 Фазовые превращения при нагреве марганцевых концентратов......30
1.3 Восстановительные процессы газообразными и твердыми восстановителями.......................................................35
   1.3.1 Краткие сведения о теории восстановительных процессов оксидов марганца............................................................35
   1.3.2 Механизм углетермического восстановления......................39
1.4  Теплофизические свойства и текстурно-структурные превращения при нагревании марганцевых концентратов................................42
   1.4.1 Определение теплофизических свойств...........................42
   1.4.2 Текстурно-структурные преобразования при нагревании марганцевых
      минералов........................................................51
1.5 Процессы удаления фосфора из марганцевого сырья на стадии подготовки его к металлургическому переделу............................55
   1.5.1 Причины необходимости удаления фосфора из сырьевых материалов.55
   1.5.2 Фосфорсодержащие минералы в марганцевых концентратах и методы
      удаления их......................................................56
   1.5.3 Краткий обзор химических методов обесфосфоривания.............59
   1.5.4 Процессы дефосфорации с применением тепловых методов..........65
   1.5.5 Влияние металлодобавок на процесс дефосфорации................71
   1.5.6 Механо-термический процесс удаления фосфора...................77
   1.5.7 Влияние СВЧ излучения на процесс удаления фосфора.............79
   1.5.8 Краткие сведения о процессе дефосфорации в рудовосстановительных электропечах........................................................87
   1.5.9 Процессы удаления железа, щелочей и мышьяка из марганцевожелезистой руды.....................................................90

Раздел 2 Процессы окускования марганцевых концентратов.................94
2.1  Окомкование тонких и тонкодисперсных марганцевых концентратов.....94
   2.1.1 Физико-химические свойства концентратов.......................95
   2.1.2 Лиофильные и электрокинетические свойства тонкодисперсных марганцевых концентратов............................................99

3

   2.1.3 Физические основы процесса и механизм гранулообразования при окомковании марганцевых концентратов................................108
   2.1.4 Физико-механические свойства сырых окатышей...................112
2.2  Процессы термической обработки сырых окатышей.............................120
   2.2.1 Процесс миграции влаги в окатыше в период сушки...............120
   2.2.2 Кинетика процесса сушки сырых окатышей........................124
   2.2.3 Температуропроводность окатышей при их нагреве................128
2.3  Процессы при термообработке в слое сырых окатышей.................133
   2.3.1 Особенности слоевой сушки марганцевых окатышей................133
   2.3.2 Технологические и теплотехнические особенности обжига окатышей в слое.143
   2.3.3 Газопроницаемость слоя окатышей в процессе термообработки.....153
   2.3.4 Теплообмен в слое обжигаемых окатышей.........................157
   2.3.5 Характеристика обожженных окатышей....................................163
2.4  Минеральный состав и внутренняя геометрическая структура окатышей из марганцевых концентратов...................................164
   2.4.1 Изменение характера пористости окатышей в процессе термообработки.....166
2.5  Окомкование марганцовисто-железистой руды США.....................169
2.6  Технология окомкования и обжига окатышей на опытнопромышленном оборудовании.............................................171
   2.6.1 Обжиг окатышей на машине конвейерного типа....................171
   2.6.2 Восстановительный обжиг рудотопливных окатышей................178

Раздел 3 Окускование методом брикетирования............................194
3.1  Особенности процесса брикетирования...............................194
3.2  Общие сведения об упрочняющих добавках для брикетирования.................195
3.3  Технологические этапы при брикетировании..........................201
   3.3.1 Характеристика связующих добавок для процесса брикетирования..204
3.4  Влияние упрочняющих добавок на качество брикетов..................206
   3.4.1 Использование жидкого стекла при брикетировании...............206
   3.4.2 Применение каменноугольного пека..............................208
   3.4.3 Упрочнение брикетов с карбонатным связующим...................211
3.5 Методы и процессы упрочнения брикетов с добавкой цементного клинкера.......220
   3.5.1 Физико-химические процессы упрочнения брикетов при естественном твердении..........................................................223
   3.5.2 Физико-химические и теплофизические процессы упрочнения брикетов при тепловлажностной обработке.....................................226
   3.5.3 Механизм тепломассопереноса на стадиях тепловлажностной обработки брикетов...........................................................228
   3.5.4 Воздействие тепла СВЧ энергии на процессы упрочнения брикетов.230
   3.6  Технологические решения для процесса упрочняющей сушки брикетов
      в различных тепловых агрегатах...................................233
3.7  Высокотемпературная упрочняющая термообработка брикетов из концентрата химического обогащения..................................246
   3.7.1 Брикетирование низкокремнеземистого карбонатного концентрата в горячем состоянии.................................................251

4

3.8  Особенности подготовки и брикетирования дисперсного концентрата химического обогащения дитионатным методом...............253

Раздел 4 Агломерационное производство.............................................262
4.1  Направления исследований по спеканию марганцевых концентратов................262
4.2  Промышленное производство агломерата на действующих аглофабриках.........................................................281
   4.2.1 Спекание агломерата в условиях аглофабрики Орджоникидзевского ГОКа.282
   4.2.2 Производство агломерата на аглофабрике Зестафонского завода ферросплавов.285
   4.2.3 Спекание агломерата на аглофабрике НЗФ......................291
4.3  Методы интенсификации процессов спекания марганцевых шихт и повышения прочности спёка..........................................297
   4.3.1 Нагрев шихты перед спеканием.............................................297
   4.3.2 Стабилизация прочности поверхности слоя спёка...............302
   4.3.3 Тепловая обработка поверхностного слоя спека................303
4.4  Стабилизация гранулометрического состава агломерата.............304
4.5  Особенности спекания шихт с использованием концентрата флотационного обогащения.............................................307
4.6  Особенности спекания офлюсованных шихт, включающих карбонатные концентраты и железофлюсовые добавки.....................325
   4.6.1 Агломерация карбонатных концентратов........................325
   4.6.2 Спекание высокоосновного железосодержащего агломерата из карбонатных концентратов.......................................338
4.7  Текстурно-структурные преобразования в процессе агломерации марганцевых концентратов.............................................355
   4.7.1 Стадии процесса спекания агломерируемых частиц..............355
   4.7.2 Текстурно-структурные особенности неофлюсованного агломерата из карбонатного концентрата.......................................358
   4.7.3 Разновидности пористых образований в агломератах............361
   4.7.4 Микроструктурные особенности блоков в агломерате............364
   4.7.5 Текстурно-структурные особенности офлюсованных агломератов из карбонатных концентратов разной основности.....................369
   4.7.6 Текстурно-структурные особенности агломератов из окисленных марганцевых концентратов..........................................373

Раздел 5 Обжиг марганцевых концентратов и шихт на их основе в трубчатых вращающихся печах........................................377
5.1 Технологические особенности термообработки в  ТВП................377
5.2 Технологические параметры тепловой обработки шихт для выплавки сплавов.................................................382
5.3 Динамика движения марганецсодержащих шихт в трубчатой вращающейся печи.....................................................386
   5.3.1 Определение высоты слоя и времени пребывания шихты в трубчатой печи..............................................................387

5

   5.3.2 Сегрегация шихтовых материалов в печи..........................389
   5.3.3 Время пребывания шихтовых компонентов на поверхности и внутри слоя.394
   5.3.4 Процесс взаимодействия расплава шихты с футеровкой ТВП.
      Настылеобразование....................................................396
5.4  Характеристика футеровочных огнеупоров.................................400
5.5 Технология обжига шихты, предназначенной для выплавки ферромарганца.......................................................404
5.6  Восстановительный обжиг марганцевых шихт в трубчатой вращающейся печи....................................................408
5.7 Технологические особенности термообработки кускового карбонатного концентрата в стационарном и пересыпающемся слоях......423
   5.7.1 Разрушаемость концентрата при нагреве..............................423
   5.7.2 Особенности обжига крупнокускового карбонатного концентрата
      в пересыпающемся слое.................................................431
   5.7.3 Технологические параметры обжига карбонатного концентрата в промышленных печах.............................................433
   5.7.4 Гидравлический и тепловой режимы работы печи, количество и состав отходящих газов..................................................437

Раздел 6 Восстановление мелких и тонких марганцевых концентратов в кипящем слое.............................................450
6.1 Особенности процесса кипящего слоя..................................450
6.2 Восстановительный обжиг мелких марганцевых концентратов в вихревой печи.....................................................451
6.3 Схема установки в цехе №’3 ЗЗФ......................................460

Раздел 7 Вторичные продукты ферросплавного производства и методы подготовки их перед использованием........................464
7.1 Методы получения металлоконцентратов................................464
7.2 Тонкодисперсные отходы производства и их подготовка к использованию.....................................................469
7.3 Продукты шламоотстойников НЗФ и их подготовка.......................472
   7.3.1 Характеристика продуктов шламохранилищ.........................472
7.4  Технология пресс-фильтрации шламов.................................478
7.5 Окускование шламов и пылей (отходов металлургического производства).484
   7.5.1 Технология брикетирования шламов...............................484
   7.5.2 Технология окомкования смеси шламов и пылей НЗФ................485
   7.5.3 Окомкование шламов НЗФ на опытно-промышленном оборудовании.........490
   7.5.4 Спекание микрогранул из шламов в составе аглошихты.............494

Заключение..............................................................497

Список использованных источников........................................501

                Введение







     В металлургической промышленности, в числе наиболее часто применяемых металлов, марганец находится на четвертом месте после железа, алюминия, меди.
     Количество марганца, поступающего в плавильные агрегаты, предопределяет важнейшие свойства стали, такие как износостойкость, хладноломкость, упругость и др. Расход марганца в виде марганцевых сплавов при выплавке стали составляет около 10 кг на 1 т стали.
     Повышенные требования к качеству стали предъявляют: атомное машиностроение, железнодорожный и трубопроводный транспорт, судостроение и др.
     Марганец повышает износостойкость и упругость стали, широко применяется для легирования конструкционных, пружинно-рессорных, износостойких и других сталей. Основное положительное влияние марганца на свойства стали состоит в уменьшении вредного влияния серы. При легировании инструментальной стали марганцем (1,0-1,5 Mn) ее качество повышается благодаря улучшению прокаливаемости. Марганец в легированных сталях часто является заменителем более дорогого и дефицитного никеля.
     Таким образом, марганец является необходимым и обязательным компонентом шихты, поступающей в сталеплавильные агрегаты, предопределяет и влияет на направления развития металлургической и машиностроительной промышленности.
     Большинство марганцевых руд, добываемых в странах дальнего зарубежья (Австралии, Бразилии, ЮАР, Габоне и др.) вследствие высокого содержания в них марганца и весьма низкого содержания фосфора используются в металлургии без обогащения. В этих и других странах, имеются марганцевые руды, имеющие высокое содержание железа, а также натрий-калиевые минералы. Эти виды руды подвергают обогащению и окускованию по специальным технологиям с удалением вредных примесей.

7

     На территории бывшего СССР основные марганцевые месторождения сосредоточены в Украине, Грузии и небольшое количество в Казахстане и России.
     В отличие от марганцеворудного сырья, добываемого в дальнем зарубежье, руда, извлекаемая из недр в бывших республиках СССР, имеет более низкое качество по содержанию марганца и наличию вредных для металлургии примесей. В этой связи возникла необходимость подвергать ее обогащению, т.е. повышению качества, за счет удаления из руды шлакообразующих компонентов.
     В обогатительных процессах, включающих операции промывки, дробления, классификации, гравитации, отсадки, магнитной сепарации, флотации, а в некоторых случаях сложные процессы химического или гидрометаллургического обогащения, в результате которых получают марганцевые концентраты, имеющие широкие пределы по физикохимическим свойствам и минералогическому составу.
     В результате многочисленных технологических операций при обогащении руды образовывались промежуточные и конечные виды продуктов, обладающих различными физико-химическими свойствами предопределяющими выбор последующих технологических решений для получения конечного продукта, пригодного для использования в металлургических агрегатах.
     Получаемые при обогащении исходной руды марганцевые концентраты имеют гранулометрический состав, изменяющийся в широких пределах. С повышением качества концентрата снижается их крупность и увеличивается влагосодержание, что предопределяет способы их окускования и параметры тепловой обработки с выбором необходимого теплового агрегата.
     В данной монографии основное внимание уделено технологическим процессам окускования и термической обработки, осуществляемым различными способами, а также отдельным операциям этих процессов, и качественным характеристикам промежуточных и конечных продуктов. Каждый отдельный вид концентрата требует индивидуального подхода при выборе рационального способа термической обработки и окускования.
     В книге приведены результаты исследований, выполненных в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях, по агломерации, окомкованию, брикетированию и обжигу в различных видах оборудования, а также- технологии восстановительных процессов

8

в различных тепловых агрегатах. Описаны технологические условия и параметры окускования для производимых видов концентратов. Определенное внимание уделено разработкам по подготовке вторичных продуктов ферросплавного производства (шлак, шлам и др.) к возврату их в промышленный процесс.
     Вследствие наличия мощных сырьевых ресурсов в Украине и Грузии, основные исследования проведены в этих республиках бывшего СССР при активном участии ученых и специалистов России.
     Следует подчеркнуть, что положительные результаты были достигнуты благодаря созданию комплексных творческих коллективов из специалистов этих республик, которые работали в тесном содружестве. В состав комплексных коллективов входили: сырьевики и металлурги, что способствовало ускорению получения положительного конечного результата в ферросплавном производстве. Обмен новаторской информацией между специализированными организациями способствовал общему развитию промышленных предприятий.
     Особо следует отметить теоретические и практические достижения тандема институтов Механобрчермет (г. Кривой Рог) и Днепропетровской металлургической академии (бывший ДМетИ, г. Днепропетровск) с активным участием института УкрНИИ спецсталь (г. Запорожье), института металлургии ГрАН (г. Тбилиси). Результаты исследований, проведенных в лабораторных и полупромышленных условиях специалистами этих институтов, позволили разработать технологические задания на проектирование агломерационных фабрик на ферросплавных заводах г. Никополя (Украина) и в г. Зестафони (Грузия). Совместно с производственным коллективом аглофабрики Орджоникидзевского ГОКа (Украина), специалисты института Механобрчермет и УкрНИИспецсталь усовершенствовали процесс агломерации марганцевых концентратов различного качества.
     Практически во всех работах участвовали специалисты институтов ЦНИИчермет, Институт металлургии им. А.А. Байкова (г. Москва), Московский институт стали и сплавов (МИСиС), УралМеханобр (г. Екатеринбург). Во многих работах принимали участие специалисты Челябинска и Казахстана.
     Огромный теоретический вклад в разработку процессов термических преобразований в марганецсодержащих концентратах был внесен коллективами ученых под руководством академиков А. А. Байкова, А. М. Самарина, д.т.н. А. Н. Похвиснева, д.т.н. С. Т. Ростовцева.

9

     Весомый вклад в теоретические и практические разработки, являющиеся основополагающими в тепловых процессах окускования марганцеворудного сырья, внесли: доктора технических наук С. О. Хитрик, Г. И. Чуфаров, М. И. Гасик, А. Г. Кучер, Н. М. Деханов, Л. М. Цылев, И. С. Куликов, Е. Ф. Вегман. Автор считает необходимым отметить, что в решение проблем повышения качества окускованных материалов, предназначенных для успешного использования их в электроферро-сплавном производстве внесли доктора технических наук: М. А. Кекелидзе, С. Г. Грищенко, В. Я. Щедровицкий, Т. И. Сигуа, А. Т. Хвичия, А. Н. Овчарук и др.
     Многолетние работы в этом направлении исследовательского, проектного и внедренческого характера выполнены специалистами института Механобрчермет под руководством д.т.н. Г. В. Губина, д.т.н. Н. Н. Бережного, д.т.н. В. А. Арсентьева, к.т.н. А. В. Петрова, к.т.н. О. Ф. Коряковой, а также учеными и специалистами других институтов и производственных предприятий: Д. А. Киссиным, А. М. Чернышевым, Т. Н. Загю, К. Г. Сорокиным, В. Я. Дашевским, А. И. Солдаткиным, В. А. Лемберским, И. Г. Кучером, В. В. Перовой и др.
     В данной книге (монографии) предпринята попытка собрать и обобщить имеющиеся сведения о выполненных работах и комплексных исследованиях в единое целое, чтобы на их основе в будущем развивать рудоподготовительные процессы. Описанные методики могут служить основой для последующих исследований.
     Приведенные в книге характеристики сырьевых компонентов относятся к 80-90-м годам прошлого столетия. Однако к настоящему времени основные характеристики сырья изменились незначительно.
     В основу книги легли результаты исследований выполненных коллективом сотрудников института Механобрчермет под руководством автора и совместно с специалистами других институтов и организаций.
     Надеемся, что приведенные в книге сведения о термических процессах и окусковании обогащенных марганцевых руд будут полезны специалистам металлургам, и студентам металлургических институтов, а также могут служить справочным материалом.
     Автор глубоко признателен доктору технических наук, профессору Г. В. Губину за идею написания данной монографии.