Раздел 1. Предварительная подготовка железной руды

Руду, добытую в карьере или шахте, нельзя сразу подавать в печь, так как она неоднородна по химическому составу, содержит много пустой породы, вместе с очень крупными кусками имеется много пылевидной мелочи. На такой руде доменная печь будет работать непроизводительно, потребуется увеличенное количество топлива для выплавки 1 т чугуна. Поэтому перед доменным процессом железная руда подвергается предварительной подготовке, которая включает следующие операции:

1.дробление

2.сортировка

3.обогащение

4.спекание

5.обжиг

6.усреднение.

Дробление сводится к измельчению специальными машинами — дробилками — крупных кусков руды до размеров 30-100 мм. При этом образуется некоторое количество мелочи, которая в случае попадания в доменную печь препятствует свободному движению газов. Поэтому мелочь отделяется от кусковатой руды путем сортировки и направляется на спекание.

Сортировка осуществляется на грохотах, представляющих собой сита с отверстиями заданного размера.

Обогащение руды состоит в отделении от нее пустой породы, что повышает процентное содержание железа. Обогащают железные руды промывкой (мокрое обогащение), магнитной сепарацией и обжигом.

Магнитное обогащение применяется к рудам, обладающим магнитными свойствами, к таким, как магнитный железняк. Руду измельчают до размера зерен не более 0,2 мм и пропускают через магнитный сепаратор. Куски руды, попадая в поле действия электромагнита, прилипают к барабану сепаратора, отделяясь от пустой породы, не обладающей магнитными свойствами.

Обжиг руды при температуре 600-800° производится для удаления воды, углекислого газа и серы. После обжига руда делается пористой и свободной от вредных примесей — серы и мышьяка.

Спекание руды осуществляется на специальных агломерационных фабриках. Мелкая железная руда и рудная пыль, которая улавливается при выносе ее из доменной печи вместе с выходящими газами, смешиваются с измельченным топливом, увлажняются водой и в виде смеси подаются на специальные машины. Здесь под действием температуры сжигаемого топлива легкоплавкие частицы руды расплавляются и связывают другие частицы руды. Образующиеся пористые куски массы называются агломератом.

Усреднение железной руды заключается в смешивании руды различного химического состава. Для получения высоких технико-экономических показателей работы доменной печи важно, чтобы в печь подавалась руда одинакового химического состава

1.1 Характеристика железной руды.

1.1.1 Физическое состояние железной руды

При добыче руды открытым способом величина крупных глыб руды может достигать 1000 – 1500 мм. В частности, мы рассматриваем магнетитовую руду. При подземной добыче максимальный размер куска не превышает обычно 350 мм. Во всех случаях добываемая руда в большей или меньшей степени содержит значительное количество мелких фракций. В то же время техническими условиями, обеспечивающими стабильный ход доменной печи, предусматривается следующий максимальный размер кусков:50 мм - магнетитовые руды. Таким образом, руду следует раздробить, мелочь отсортировать. Магнетит характеризуется высокой магнитной восприимчивостью. Он обычно встречается в виде крепких, плотных кусковых руд с мелкокристаллическим строением, а под действием влаги и кислорода атмосферы окисляется. Он содержит 55-60% (иногда 16-30%) Fe; 0,02-2,5% S; 0,02-0,7 P и чаще всего кислую породу (SiO₂, Al₂O₃)

1.1.2. Характеристика металлургической ценности руды

Содержание железа в FeO:

Fe^p_FeO =

Содержание железа в Fe₂O₃:

Fe^p_Fe2O3 =

Содержание железа в руде:

Fe^P= Fe^p_FeO + Fe^p_Fe2O3

Данная руда относится к богатым, т.к. содержание железа в магнетитовой руде выше 45-48%. Тем не менее, руду необходимо обогатить для снижения содержания вредных примесей и для улучшения качества выплавки чугуна.

1.1.3 Оценка наличия в руде вредных примесей

Содержание серы в руде (SO₃):

S^P= -минимального содержания серы в сернистой руде. Следовательно, данная руда относится к низкосернистым.

Содержание фосфора в руде (P₂O₅):

P^p= минимального содержания фосфора в фосфористой руде. Следовательно, данная руда - низкофосфористая.

Данной руде не требуется процесс агломерации, поскольку содержание вредных примесей ниже минимального.

1.1.4 Характеристика пустой породы

Данная руда является кремнеземистой, поскольку содержание в ней SiO₂ больше, чем содержание Al₂O₃ и MgO.

Основность пустой породы:

B=

Руда является тугоплавкой, т.к. ее величина B=0,348 не лежит в интервале основностей для самоплавких руд 0,6-1,1.

Таким образом можно сделать вывод о целесообразности получения из железной руды офлюсованного агломерата. Поскольку в руде высокое содержание SiO₂, то необходимо использование основного флюса-известняка (CaCO₃).

1.2Обоснование технологической схемы подготовки руды к доменной плавке

Технологическая схема может включать в себя следующие операции:

- дробление;

- измельчение;

- грохочение (классификация);

- обогащение;

- агломерация.

Схема подготовки руды к доменной плавке

		Обогащение
		Измельчение
	Дробление

1.2.1 Дробление, измельчение, грохочение

Крупность добываемых руд в естественном виде очень различна. При открытом добыче размер отдельных кусков может достигать 1000-1200 мм ,а при закрытой 300-800 мм.

1. Для дальнейшего использования руда такой крупности должна быть предварительно подвергнута дроблению. Дробление представляет собой процесс уменьшения размера кусков твердого материала его разрушением под действием внешних сил до определенной крупности.

Дробление и измельчение руды - энергоемкий и дорогостоящий процесс. Поэтому всегда желательно соблюдать принцип «не дробить ничего лишнего»,т.е дробить руду только до определенных размеров и в необходимом количестве. Для соблюдения этого принципа процесс дробления руды разделяют на несколько стадий и перед каждой из них проводят классификацию с целью выделения готовых по размеру кусков и мелочи, чтобы не подвергать их повторному дроблению.

Различают следующие стадии дробления:

- крупное дробление от 1200 мм до 100 – 350 мм;

- среднее дробление от 100 – 350 мм до 40 – 60 мм;

- мелкое дробление от 40 – 60 мм до 6 – 25 мм;

- измельчение от 6 – 25 мм до 1 мм;

- тонкое измельчение <1 мм.

Крупное среднее и мелкое дробление осуществляют в установках, называемых дробилками, а измельчение – в мельницах.

Дробление можно выполнять следующими методами: а) раздавливанием б) истиранием, в) раскалыванием, г) ударом и сочетанием перечисленных выше способом.

Раздавливание происходит или между плоскими качающимися щеками дробилки (рис 1а), или эксцентрически расположенными коническими поверхностями (рис.1б) или между вращающимися навстречу друг другу валками (рис 1в). В соответствии с этим различают щековые, конусные и валковые дробилки.

Рис.1

Раскалывание осуществляется острыми зубьями или шипами разнообразной формы, например, в валковых зубчатых дробилках.

Удар в чистом виде осуществляется либо движущимся пестом

(рис.2 а), либо вращающимися жестко закрепленными пальцами (рис.2б), либо вращающимися молотками или стержнями (молотковые и ударные дробилки, рис.2в). Этот способ дробления используют, как для хрупких, так и глинистых материалов.

Рис.2

Истирание, всегда соединенное с раздавливанием, происходит между вращающимися жерновами или плоской и цилиндрической поверхностями (бегуны). Широкое применение при измельчении находит удар в сочетании с истиранием, что осуществляется при работе мельниц.

Для крупного и среднего дробления используют в основном дробилки, работающие по способу раздавливания или раскалывания. Наиболее широкое применение нашли щековые дробилки различных размеров и конструкций. Дробление в них происходит в результате периодического раздавливания. Они предназначены для дробления крепких руд и горных пород и обеспечивают степень дробления 4-6. Основной характеристикой щековой дробилки служит размер приемного отверстия (пасти дробилки). Для среднего и мелкого дробления эффективно использовать конусные дробилки.

2. Для тонкого измельчения применяют главным образом мельницы, в которых удар сочетается с истиранием. Наиболее распространены вращающиеся мельницы, в которых измельчение осуществляется дробящими телами во время их вращения. В качестве дробящих тел применяют шары и стержни, а иногда твердые окатанные куски горной породы (гальку). В основном, измельчение осуществляют с помощью конических, шаровых (рис3), стержневых мельниц.

Рис.3

3. В технологических схемах дробление и измельчение почти всегда сочетаются с сортировкой и классификацией материалов по крупности. Разделение или сортировку материалов по классам крупности при помощи решеток или механических сит называют грохочением, а разделение в воде или воздухе с использованием разности скорости падения зерен различной крупности -гидравлической или воздушной классификацией. Грохочением обычно разделяют материалы крупностью 1-3 мм, а более мелкие – классификацией. Основной рабочей частью грохота (устройства, применяемого для грохочения) является решето или сито, которое и разделяет материал по крупности на классы. Материал, поступающий на грохочение называют - исходным, остающийся в сите – надрешетным продуктом, прошедший через отверстия сита - подрешетным продуктом.

Расчет количества дробильного оборудования.

Степень дробления руды: i = ,

где D –максимальный размер исходного материала

d - максимальный размер конечного продукта

Степень дробления руды зависит от исходной крупности руды, ее твердости и типа дробилки.

4-6 - крупное и среднее дробление (для щековых дробилок)

5-6- крупное и среднее дробление (для конусных дробилок)

8-10 –мелкое дробление

d₁= мм – крупное дробление

d₂= d₁ /i=240/5=48мм- среднее дробление

d₃= d₂/i=48/10=4,8мм- мелкое дробление

Для обеспечения гарантированного максимального размера кусков дробимого материала целесообразно применять замкнутую схему дробления с возвратом надрешетного продукта на повторное дробление.

1.2.2 Обогащение

Руды, добываемые из недр земли, часто не удовлетворяют требованиям металлургического производства не только по крупности, но и в первую очередь по содержанию основного металла и вредных примесей, а потому нуждаются в обогащении. Обогащение - процесс обработки полезных ископаемых, целью которого является повышения содержания полезного компонента (Fe) и снижения содержания вредных примесей путем отделения рудного минерала от пустой породы или отделения одного ценного минерала от другого. В результате обогащения получают готовый продукт-концентрат, более богатый по содержанию определенного металла (Fe) ,чем исходная руда, остаточный продукт – хвосты, более бедный, чем исходная руда.

Все применяемые на практике способы обогащения руд являются по существу механической обработкой их и основаны на использовании различий в физико-химических свойствах слагающих руду минералов :

1. При хорошей размываемости минерала водой применяют промывку

2. При различной плотности – гравитационное обогащение

3. При магнитной восприимчивости - магнитное обогащение

4. На использовании различных физико-химических поверхностных свойств основана флотация

Данная руда, магнетит характеризуется высокой магнитной восприимчивостью, и поэтому магнитные железняки можно обогащать электромагнитным способом, основанном на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы.

Магнитная сепарация.

Магнитное обогащение заключается в том, что подготовленную соответствующим образом руду (дробленную до высокой степени раскрытия рудного зерна), содержащую магнитный минерал, вводят в магнитное поле, создаваемое магнитами. Силовые линии магнитного поля сгущаются в зернах магнитного минерала, намагничивают их, вследствие чего зерна притягиваются магнитом и, преодолевая постояннодействующие, движутся в одном направлении, в то время как немагнитные зерна под действием этих сил движутся в другом направлении .На рисунке 4 приведена схема, при которой реализуется способ удержания более магнитных частиц.

Рис. 4 Схема магнитного сепаратора для обогащения крупных руд.

Магнитное обогащение осуществляют в аппаратах, называемых магнитными сепараторами, в которых магнитное поле создается электромагнитами постоянного тока.

Магнитное обогащение железных руд осуществляют методами сухой и мокрой магнитной сепарации, а также комбинированными методами (сухая сепарация с последующей мокрой)

Для обогащения магнитных железных руд крупностью более 3-6 мм применяют сухую магнитную сепарацию. Обогащать руды и продукты меньшей крупности можно и сухой, и мокрой сепарацией, но предпочтение следует отдавать мокрой сепарации, т.к при этом устраняется пылеобразование.

По конструктивным признакам различают сепараторы барабанные ленточные, шкивные, роликовые и кольцевые. Для обогащения магнетитовых руд широко применяют барабанные сепараторы.

Показателями процесса обогащения являются:

- содержание железа в исходной руде

_p=53,06%

- содержание железа в концентрате

_k=65%

- содержание железа в хвостах

_хв=19%

- выход концентрата, доли ед.

= 0,74

- выход хвостов, доли ед.

=1- =1-0,74=0,26

- степень извлечения железа в концентрат, доли ед.

= =0,907

- степень извлечения железа в хвосты, доли ед.

1- _k=1-0,907=0,093

- коэффициент обогащения, показывающий, во сколько раз содержание железа в концентрате больше, чем в исходной руде, доли ед.

1,225

- коэффициент сокращения, показывающий во сколько раз масса концентрата меньше массы исходной руды, доли ед.

= 1,351

Определяем, сколько железа перешло в концентрат, если масса руды 100 кг:

M^Fe_k= _k Fe^P = 0,907 53,06=48,125кг

Определяем, сколько железа перешло в хвосты:

M^Fe_хв= _хв Fe^P=0,093 53,06 =4,93 кг

Определяем состав концентрата:

М^Fe,k_FeO = Fe^p_{FeO k} =14,7 0,907=13,33 кг

М^Fe,k_Fe2O3= Fe^p_{Fe2O3 k} =38,36 0,907=34,79 кг

Определение массы железа в концентрате и содержание FeO в концентрате:

M^k_FeO= 17,14 кг

М^Fe,k_FeO=13,33 кг

FeO^k= 23,17 %

Определение массы железа в концентрате и содержание Fe₂O₃ в концентрате:

M^k _Fe2O3= 49,7%

М^Fe,k_Fe2O3=34,79 кг

Fe₂O₃^k= 67,17%

Содержание фосфора в концентрате:

P ^k=(0,5 0,3) P ^p

P ^p=0,02%

P ^k=0,5 0,02=0,01 %

Так как в концентрате содержится P₂O₅ ,то:

P₂O₅^k= 0,031

Содержание марганца:

Mn^k = (0,9 0,5) Mn^p

Mn^p= 0,12

Mn^k =0,9 0,12=0,1

MnO^k = 0,094

Содержание серы:

S^k=(0,7 0,5 ) S^p

S^p=0,06%

S^k=0,7 0,06=0,042

SO₃^k= 0,142

Пустая порода:

Долю пустой породы в руде без оксидов марганца, фосфора серы можно рассчитать как:

=100-(18,9+54,8+0,15+0,09+0,15)=25,91

Аналогичная величина для концентрата составит:

=100-(23,17+67,17+0,094+0,062+0,0142)=9,362

0,361

Тогда содержание, например, CaO в концентрате можно рассчитать следующим образом:

CaO^k=0,361 1,4=0,51%

SiO₂^k=0,361 15,5=5,6%

Al₂O₃^k=0,361 0,6=0,02%

MgO^k=0,361 4,2=1,52%

ПП^к=0,361 4,21=1,52%

CaO^{k +}SiO₂^k +Al₂O₃^k +MgO^k+ПП^к=(0,51+5,6+0,2+1,52+1,52)=9,35%

Таблица 1. Химический состав железорудного концентрата

Содержание компонентов железорудного концентрата, % масс.
FeO	Fe2O3	MnO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	SO3	P2O5	ППП
23,17	67,17	0,094	5,6	0,2	0,51	1,52	0,142	0,062	1,52