Окатыши в технологии экстракции металлов из руд


В. М. ПАВЛОВЕЦ






                ОКАТЫШИ В ТЕХНОЛОГИИ ЭКСТРАКЦИИ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД






Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Металлургия»



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия»

2022

УДК 669.162.23
ББК 34.323
    П12


Рецензенты:
кафедра техносферной безопасности Новокузнецкого института (филиала) Кемеровского государственного университета
(заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор Р. А. Гизатулин);
научный руководитель экспертно-технического совета ОАО «Евразруда» доктор технических наук И. Ф. Матвеев






     Павловец, В. М.
П12 Окатыши в технологии экстракции металлов из руд : учебное пособие / В. М. Павловец. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -284 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-0990-2

     Раскрыто положение железорудных окатышей в технологиях экстракции чёрных металлов из природного и техногенного сырья. Изложены основы теории и технологии производства железорудных окатышей. Сформулированы требования, предъявляемые к окускованному продукту. Приведены металлургические технологии, предназначенные для получения первичного металла, использующие в качестве сырья железорудные окатыши. Представлены справочные данные, необходимые для создания теплотехнологий и технологических расчетов.
     Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Металлургия».

                                                         УДК 669.162.23
                                                         ББК 34.323






ISBN 978-5-9729-0990-2

© Павловец В.М., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Предисловие.....................................................5
Введение........................................................6
1. Железные руды и сырые материалы для экстракции черных металлов.................................10
1.1. Железные руды.............................................10
1.2. Характеристикажелезорудной базы России....................13
1.3. Железорудные концентраты..................................23
1.4. Флюсующие материалы.......................................25
1.5. Связующие добавки.........................................28
2. Подготовка и обогащение минерального сырья к металлургическому переделу...................................32
2.1. Влияние подготовки и обогащения минерального сырья на показатели металлургического передела.......................32
2.2. Грохочение и классификация рудного сырья..................35
2.3. Дробление и измельчение железных руд......................45
2.4. Обжиговые термохимические подготовительные процессы.......60
2.5. Процессы и аппараты обогащения рудного сырья..............62
3. Теоретические основы окускования дисперсных железорудных материалов.........................................81
3.1. Основы теории окомкования железорудного сырья..............81
3.2. Теоретические основы сушки окомкованного железорудного продукта........................................102
3.3. Теоретические основы обжига и спекания окомкованного продукта........................................134
3.4. Требования к качеству окускованного сырья и методы его определения......................................149
4. Технология и оборудование для производства железорудных окатышей.........................................156
4.1. Технологические схемы фабрик окомкования.................156
4.2. Технология и оборудование для окомкования железорудных материалов.......................................166
4.3. Теплотехнологии в производстве окускованного железорудного сырья...........................................193
4.4. Тепловая и технологическая работа обжиговой конвейерной ленты.............................................214
5. Использование окатышей для получения первичного металла......221
5.1. Эффективность использования окускованного сырья в доменных печах..............................................221
5.2. Внедоменные методы получения первичного металла..........235
Контрольные вопросы...........................................250

3

Самостоятельная работа студентов..........................253
Заключение................................................256
Библиографическийсписок ..................................257
Приложение А. Теплофизические свойства руд................261
Приложение Б. Теплофизические свойства окатышей...........274

4

            ПРЕДИСЛОВИЕ



      Федеральным государственным образовательным стандартом ВПО по направлению подготовки «Металлургия» предусмотрено изучение специальных дисциплин профессионального цикла, которые являются базовыми для подготовки бакалавров металлургических специальностей. В этом ряду находится дисциплина «Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья», которая посвящена изучению основ первого металлургического передела - извлечению черных металлов из минерального сырья. Настоящее учебное пособие является познавательно-практическим источником для решения теоретических и практико-ориентированных задач в области подготовки железорудного сырья для металлургических технологий, предназначенных для получения первичного металла. В пособии представлены основы теории подготовки железорудного сырья к металлургическому переделу, включающие характеристику железорудной базы Российской Федерации, положения теории обогащения руд, окомкования шихты и закономерности термообработки сырья. Показана роль железорудных окатышей в технологиях для производства первичного металла и представлены теоретические основы и характеристики технологического оборудования для их производства. Сделаны ссылки на передовой зарубежный опыт в области производства окатышей. Учебное пособие содержит иллюстрации, справочный материал и библиографический список.
      Учебное пособие написано с учетом компетентностного подхода к подготовке выпускников. Согласно требованиям федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, выпускник должен обладать общекультурными компетенциями: владеть культурой общения, обобщать и анализировать информацию, ставить цель и выбирать пути ее достижения, оформлять, представлять и докладывать результаты выполнения работы; и профессиональными компетенциями: уметь сочетать теорию и практику для решения инженерных задач, уметь применять в практической деятельности принципы рационального использования природных ресурсов и защиты окружающей среды, уметь осуществлять и корректировать технологические процессы в металлургии и материалообработке, выявлять объекты для улучшения в технике и технологии, уметь обосновывать выбор оборудования для осуществления технологических процессов.

5

            ВВЕДЕНИЕ



     Технология экстракции черных металлов из руд включает добычу железных руд, их механическую обработку и обогащение, последующее окускование концентратов в окатыши, агломерат или брикеты, проплавку их в доменных печах или металлизацию в шахтных агрегатах. Окускование железорудных материалов необходимо для получения прочного кускового продукта, являющегося сырьем для экстракции первичного металла (чугуна) в доменных печах или для металлизации сырья в шахтных агрегатах, необходимого для выплавки стали из металлизованного продукта в сталеплавильных электродуговых печах. Непосредственное использование концентратов в шихте доменных печей без предварительного окускования невозможно. Это связано с особенностями противоточного режима работы шахтной печи. Окускованный продукт загружается в печь на колошнике и непрерывно опускается сверху вниз, проходя рабочее пространство печи (28-34 м) за 5-6 ч, превращаясь в расплавленный шлак, чугун и доменный газ. Навстречу нисходящему потоку шихты с высокой скоростью движутся печные газы, которые образуются в горне доменной печи при сжигании кокса и топливных добавок. Скорость движения газа (8-10 м/с) настолько высока, что газы проходят через рабочее пространство печи за 3-4 с. Восходящий поток раскаленного газа обладает большой подъемной силой и выносит из рабочего пространства печи частицы размером менее 3-4 мм. При значительном количестве мелочи в шихте доменных печей уменьшается газопроницаемость столба шихтовых материалов, наблюдается перерасход дефицитного и дорогого кокса, ухудшается использование химической и тепловой энергии восстановительных газов, возможно подвисание столба шихты в печи. Мелкая шихта, выносимая газами из печи, не участвует в процессе получения первичного металла, формирует абразивный износ футеровки и металлических частей засыпного аппарата, требует мощной системы очистки газов и не обеспечивает получение высоких технико-экономических показателей доменной плавки. Поэтому для снижения выноса шихтовой мелочи из доменной печи и эффективной работы агрегата необходимо предварительное окускование пылеватых руд, железосодержащих отходов металлургического производства и концентратов, являющихся сырьевыми материалами для экстракции первичного металла.
     Существуют три основных способа окускования пылевидной рудной мелочи и тонкоизмельченных железорудных концентратов: агломерация, брикетирование и производство окатышей. Технология окускования тонкого железорудного сырья в производстве окатышей включает две основные стадии: получение прочных сферических тел путем окомкования (окатывания) влажной шихты и высокотемпературный обжиг высушенных окатышей. Окомкование -особый вид формообразования, заключающийся в придании определенной формы влажной шихте на барабанных или тарельчатых окомкователях, с целью получения прочных сферических тел из сыпучих материалов. Основным ком

6

понентом железорудной шихты является концентрат, образующийся в процессе обогащения горных железосодержащих пород, в котором содержание железа при обогащении повышается с 16-35 % (руда) до 58-69 % (концентрат). Для производства окатышей используют концентраты с содержанием железа 64-69 %ис крупностью частиц менее 0,1 мм.
     Первый способ получения окатышей из мелких сыпучих материалов запатентовал швед Андерсон в 1912 г. Второй патент на способ получения окатышей был выдан Бранкельсбергу (Германия) в 1913 г., который опубликовал в 1916 г. первые результаты исследований свойств окатышей. В 1926 г. сооружена первая промышленная установка производительностью 120 т/ч. В начале 30-х годов XX в. появился интерес к новому способу окускования железорудного сырья в Советском Союзе. Первыми исследователями новой технологии были Селиванов Б. П., Семик И. П., Миллер В. Я., Матвеев С. Г., которые пытались решать проблемы окускования рудной мелочи различных месторождений новым способом. Наиболее активно новый способ окускования рудных концентратов стали исследовать в 40-х годах XX в. инженеры-металлурги США. Интерес к новой технологии был обусловлен проблемой окускования тонкоизмельченных таконитовых концентратов, полученных обогащением бедных железистых кварцитов, агломерация которых была неэффективной. Работы по окомкованию тонкоизмельченных концентратов в США начал в 1943 г. Дэвис. Исследования продолжались в конце 40-х и начале 50-х годов на ряде опытно-промышленных установок, которые явились прототипом первой промышленной фабрики для получения окатышей, открытой в 1955 г. в Сильвер-Бее. С этого времени производство железорудных окатышей является основным направлением в развитии сырьевой базы черной металлургии США и Канады.
     В конце 40-х годов опытно-промышленные установки для производства окатышей были построены в Европе (в Англии, Германии, Швеции) и в Японии. В начале 50-х годов в СССР возобновились исследовательские работы по получению окатышей и изучению их потребительских свойств. Первые работы были выполнены в институтах «Механобр», «УралНИИЧМ», ЦНИИЧЕРМЕТ, «УралМеханобр», «МИСиС» и др. Результатом исследований явилось создание опытно-промышленных установок на ЮГОК и НТМК в 1958 г., на ССГОК и ЦГОК в 1963 г. В 1964 году в СССР пущена в эксплуатацию первая промышленная фабрика окатышей на Соколовско-Сарбайском ГОКе (ныне республика Казахстан). С тех пор введены новые мощности по производству окатышей на ОАО «Качканарский ГОК - Ванадий» (1973 г.), на Лебединском, Михайловском, Стойленском ГОК (1970-1980 гг.), наГОК «Карельский окатыш» (1982 г.). Существуют мощности по производству окатышей на заводе ОАО «Сибэлек-тросталь» (г. Красноярск). Производство окатышей в Российской Федерации постоянно растет и приближается к 50,0 млн т/год, что составляет более 35 % от общего количества железорудного сырья, произведенного в России в 2020 г. Значительная часть этой продукции направляется на экспорт, составляя вместе с железной рудой и концентратом экспортный сегмент экономики, приносящий около 10 % валютной выручки в консолидированный бюджет России. Для мно-

7

гих стран мира экспорт железорудного сырья является важной частью экономики. Например, Швеция с населением 9 млн человек производит более 50 млн т окатышей в год частично для внутреннего потребления и большей частью на экспорт.
     Железорудные окатыши - это перспективное металлургическое сырье, обладающее высокими потребительскими свойствами. По сравнению с агломератом окатыши характеризуются более высокой восстановимостью, механической прочностью, содержанием железа. Технология производства окатышей отличается более низкими топливно-энергетическими затратами (0,5-1,75 МДж/т) и себестоимостью (120-140 долл./т). При производстве окатышей выше культура производства - ниже запыленность и загазованность рабочих мест. Существенно меньше экологическая нагрузка на окружающую среду и, соответственно, меньше отходов и выбросов вредных веществ в водную и воздушную среды. Выбросы монооксида углерода близки к нулю, в агломерационном производстве их выход достигает 30 кг/т. Выход оксидов азота (0,3 кг/т) на порядок меньше, чем при агломерации. Удельный выброс пыли с горновыми газами (10-13 кг/т) обжиговых машин значительно ниже, чем при агломерации (20-30 кг/т). Значительно меньше потерь сырья при их производстве. Окатыши - это единственный вид сырья, легко переносящий длительную транспортировку к потребителям без потери их металлургических свойств. По этим причинам высока доля окатышей в экспорте железорудного сырья во многих странах мира. Их содержание в шихте доменных печей металлургических предприятий Российской Федерации достигает 30-32 %. Доля окатышей в шихте доменных печей Европейских стран превышает 50%, а в странах Северной Америки приближается к 90-100 %. В последнее время мировое производство окатышей достигло 356,9 млн т/год (2018 г), что эквивалентно 26 % от общего количества сырья, произведенного всеми странами мира. В США были введены в техническую документацию термины pellet и pelletizing, которые стали широко использоваться в научной литературе. В СССР Базановым Ф. М. (1952 г.) был предложен синоним английского термина pellet - окатыш.
     В Российской Федерации научные исследования и опытноконструкторские работы в производстве окатышей ведут специалисты специализированных организаций ОАО «ВНИИМТ», НПВП «ТОРЕКС», Института металлургии Уральского отделения РАН, ГНЦ ОАО «Уральский институт металлов» (г. Екатеринбург), МИСиС и его филиалы, УГТУ-УПИ, СибГИУ, инженерно-технические работники лабораторий металлургических и горнодобывающих предприятий страны. Активно работают ученые других стран. Круг научных и производственных проблем в настоящее время существенно расширился. Основными проблемами, как и раньше, являются: улучшение металлургических свойств окатышей и повышение производительности технологического оборудования. Актуальны вопросы энергосбережения и связанные с ним вопросы снижения расхода тепловой и электрической энергии. Много внимания исследователи уделяют экологическим проблемам: снижению уровня образования отходов и вредных выбросов при производстве окатышей. Для масштабной продукции, каковой являются железорудные окатыши, актуальны 8

проблемы уменьшения расхода связующих добавок, потерь сырья и, как следствие, - снижение себестоимости готовой продукции. Исследователи разрабатывают новые, более эффективные режимы окомкования шихты, сушки и обжига окатышей, тепловые и аэродинамические схемы оборудования. Ведутся работы по глубокой утилизации тепла отходящих продуктов горения, горячего спека, по частичной замене природного газа более дешевыми видами органического топлива, такими как угольная мелочь, в том числе горючими отходами промышленного и сельскохозяйственного производства. Органические отходы растительного происхождения (шелуха злаков, кукурузный жмых) в последнее время широко используются в США и других зарубежных странах. Актуальны вопросы повышения надежности и долговечности отдельных систем и узлов технологического оборудования. Способы получения окатышей, устройства для окомкования и термообработки окускованного сырья являются объектами интеллектуальной собственности, к которым приковано пристальное внимание инженеров и изобретателей, работающих в области подготовки железорудного сырья к металлургической плавке. О многообразии научных подходов к решению производственных проблем можно судить по публикациям в крупнейших специализированных журналах Российской Федерации: «Сталь», «Металлург», «Металлы», «Известия вузов. Черная металлургия», «Национальная металлургия» и др. Следует подчеркнуть, что достижения в технологии окомкования железорудного сырья с успехом применяют в процессах гранулирования сыпучих материалов в различных (топливной, химической промышленности, в строительстве, при производстве огнеупоров) отраслях техники. Распространено гранулирование сыпучих материалов в цветной металлургии. Особенно востребована технология получения окатышей в относительно новой отрасли металлургической промышленности, связанной с рециклингом и утилизацией сыпучих отходов производства, имеющих как рудную (железорудные пыли и шламы систем пылеулавливания), так и нерудную (угольная, коксовая мелочь, керамические шихты) составляющую.
     Настоящее учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Металлургия» и изучающих переработку минерального сырья в технологиях экстракции черных металлов из железных руд.
     Содержание пособия и методика изложения материалов соответствуют требованиям основной образовательной программы направления подготовки «Металлургия». Некоторые разделы учебного пособия можно рекомендовать для освоения спецкурсов студентам, обучающимся по направлению подготовки «Техносферная безопасность». В пособии представлены основные сведения о технологии экстракции первичного металла из железных руд, включая основы теории и технологии производства железорудных окатышей. При изложении материалов учебного пособия автор предлагает общий подход к сущности процессов подготовки руд к металлургической плавке, реализуемых в промышленности в последние десятилетия.

9

            1. ЖЕЛЕЗНЫЕ РУДЫ И СЫРЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭКСТРАКЦИИ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ


        1.1. ЖЕЛЕЗНЫЕ РУДЫ

     Для производства окускованного железорудного сырья, характеристика которого представлена в источниках [1-15], применяют тонкоизмельчен-ные железосодержащие материалы (железные руды, концентраты), флюсующие (известняк, известь), связующие (бентонит, нонтронит, полимеры), топливные (кокс, уголь, мазут, древесная и растительная мука, органические частицы) добавки и, в последнее время, железосодержащие (техногенные) отходы металлургического производства.
     Железными рудами называют горные породы, переработка которых с целью извлечения железа экономически выгодна на данной стадии развития техники. По распространенности элементов в земной коре железо (Fe) занимает четвертое место после кислорода, кремния и алюминия, а его доля составляет 5,6 %. В руде всегда присутствуют оксиды различных химических элементов Si, Al, Ti, Р, Са, Mg, Na, К, которые образуют пустую породу. Тугоплавкие оксиды SiO2, AI2O3, ТЮ2 относят к кислым, а оксиды с более низкой температурой плавления СаО, MgO, Nh2O, К2О - к основным шлакообразующим компонентам. Внешний вид и цвет железной руды различных месторождений отличается друг от друга и зависит от химического состава, изменяясь от красноватого до коричневого тона. Некоторые руды имеют блестящий черный цвет. Железные руды представлены преимущественно твердой каменистой массой. Плотность руд существенно зависит от содержания железа. По состоянию на 2005 г. запасы железных руд, которые могут быть добыты экономически целесообразным способом, составляют 140 млрд т. В таблице 1.1 [2, с. 13] приведена информация о запасах железных руд в некоторых странах. При нынешних темпах добычи руд этого запаса хватит почти на 100 лет. В 2011 г. в мире добыто более 1,98 млрд т железной руды. Крупнейшими производителями железной руды являются: Китай - более 500 млн т, Бразилия - 400 млн т, Австралия - 320 млн т, Индия - 100 млн т. В2011 году в России произведено более 110 млн т товарной руды.
Таблица 1.1

Запасы железных руд в странах - производителях металлопродукции

        Количество,           Количество,
Страна    млрд т     Страна     млрд т   
 Китай    25,000    Венесуэла    5,300   
Украина   22,430     Швеция      3,460   
Россия    19,815      Индия      2,700   

10

Окончание таблицы 1.1

 Страна   Количество,    Страна     Количество,
            млрд т                    млрд т   
Австралия   17,400       Канада        1,700   
   США      10,000        Перу         0,700   
Казахстан    8,з00    Южная Африка     0,бз0   
Бразилия     7,600    Прочие страны   14,965   
                            Итого     140,000  

     Существует много видов железных руд, отличающихся типом химического соединения железа, присутствием сопутствующих элементов, характером пустой породы и др. Важнейшими из них являются магнитные железняки, гематиты, бурые железняки и сидериты.
     В магнетите (магнитный железняк) железо представлено, главным образом, оксидом железа РезО-i. Эти руды, встречающиеся в чистом виде в земной коре, имеют высокое содержание железа (до 60-70 %) и почти не содержат примесных элементов. В чистом оксиде РезОз содержится 72,4 % Ре. Пустая порода руды обычно кислая. В магнетите железо и кислород прочно связаны между собой, что позволяет отнести эту руду к классу трудновосстановимых. Магнетит характеризуется высокой магнитной восприимчивостью. Поэтому магнитные железняки пригодны для электромагнитного обогащения. Руда этого типа имеет почти черный цвет и обычно представлена крепкими и плотными кусковыми рудными телами.
     В гематите (красный железняк) железо представлено оксидом Ре2Оз. Эти руды имеют высокое содержание железа (55-60 %) и характеризуются низким содержанием фосфора и серы. Пустая порода либо кремнеземистая, либо глиноземистая. Красный цвет руде придает оксид железа Ре2Оз, содержание железа в котором составляет 70 %. В нем связь железа с кислородом менее прочная, чем в магнетите, поэтому красный железняк относят к легковосстановимым рудам. Руды бывают кусковыми, иногда пылевидными.
     В бурых железняках железо представлено водными оксидами: лимонитом 2Ре2Оз'ЗН2О или гетитом Ре2Оз'Н2О. Бурый железняк образуется при выветривании и окислении руд других типов. Пустая порода этой руды глинистая или кремнеземистая. Лимонит наиболее широко распространен в земной коре, однако эти руды бедные по железу (з7-55 % Ре), и характеризуются повышенным содержанием фосфора (0,5-1,5 %). Добыча этих руд экономически выгодна при больших запасах бурого железняка в руднике.
     Железо в сидеритах (шпатовый известняк) представлено карбонатом РеСОз, который содержит з0-40 % Ре и относится к сравнительно легко восстановимым железным рудам. Сидерит имеет второстепенное значение в металлургии железа, по сравнению с магнетитовыми и гематитовыми рудами.

11

Промышленно используемым является минерал ильменит FeTiOs, встречающийся в сочетании с магнетитом. Руды, в которых преобладает ильменит, называют титаномагнетитами. В менее распространенных железистых кварцитах оксиды железа достаточно тесно связаны или смешаны с кремнеземом. Качество руды определенного месторождения оценивают по содержанию железа и типу химического соединения, по поведению минерала в процессе спекания и разрушению куска при различных температурах, по восстановимости («трудности» или «легкости» отнятия кислорода от оксида железа), количеству вредных - S, Р, As, Zn, Pb и полезных - Мп, Ni, Mo, Cr, V химических элементов, а также по обогатимости. При разработке рудного месторождения оцениваются затраты, начиная от добычи, обогащения и окускования сырья до получения из руды железа и чугуна. Помимо содержания железа в руде (руды бедные, средние или богатые), типа пустой породы (основная, кислая, глинистая), величины запасов в руднике, способа добычи (открытый карьер или шахта) необходимо учитывать затраты на транспортировку сырья до предприятия потребителя.
    Основные месторождения железных руд в Российской Федерации, которые являются источником товарной железной руды, сосредоточены в четырех экономических районах Российской Федерации: Центральном, Северо-Западном, Уральском и Сибирском. Товарная железная руда - это концентрат, образующийся после обогащения сырой руды, добытой из недр земли. Она поступает далее на окускование (получение окатышей или агломерата) на самих ГОКах или металлургических заводах. В таблице 1.2 отмечены главные ГОКи России и указано производство товарной железной руды и металлургиские предприятия - потребители этой продукции [2, с. 17].


Таблица 1.2
Горно-обогатительные комбинаты (ГОК) и рудоуправления (РУ), производящие товарную железную руду

                                Годовое    Металлургические
   Наименование ГОК и ОАО     производство  предприятия -  
                                железной     потребители   
                              руды, млн т     продукции1   
ГОК «Карельский окатыш»,          7,5        ОАО «Мечел»   
Карелия, г. Костомукша                                     
ОАО «Качканарский ГОК                                      
«Ванадий», Свердловская обл.,     8,6         ОАО «НТМК»   
г. Качканар                                                
ОАО «Ковдорский ГОК»,             4,6            ОАО       
Мурманская обл., г. Ковдор                   «Северсталь»  

12