Классификация и виды железных и марганцевых руд

Руды железа.За содержимым в земной коре (4,2 %) Ферум занимает четвертое место после Кислорода, Силиция и Алюминия. Он входит в состав минералов и горных пород. Однако не каждая горная порода может быть использована для получения железа. Горную породу, из которой на определенном этапе развития техники экономически целесообразно добывать железо, называют рудой. Железные руды состоят из рудных минералов, которые преимущественно содержат железо, и минералов, что его не содержат или содержат в незначительном количестве. Кроме того, в состав руд входят полезные (Мп, Ni, Сг, Со, Тi и др.) и вредные (Р, S, Аs, Сu, Zп, РЬ) примеси. Пустая (нерудная) порода по большей части состоит из окислов силиция, магния и алюминия, в составе простых или сложных химических соединений. Если в пустой породе преобладают окислы силиция SiO₂ и алюминию А1₂О₃, то ее называют кислой, а если окислы кальция СаО и магнию Мg0 — основной. Отношение

(%СаО+%Мg0)/(%Sі0₂+%А1₂0₃) = В (1.1)

называют основностю руды. Если значение В = 1, то руду называют самоплавкою.

В зависимости от геологических условий образования различают такие руды: осадочные (осаждались в водных бассейнах), магматические (образовались после остывания огнежидкой массы — магмы), метаморфические (образовались в результате постепенного превращения осадочных и магматических руд в процессе изменения температуры, давления и других естественных факторов).

По типу основного рудного минерала руды железа разделяют на такие группы:

магнетит, рудный минерал магнетит — смешанные окислы ферума Fе₃О₄ и Fе₂О₃ имеют сильную магнитную восприимчивость, которая теряется после нагревания к температуре 570 °С;

гематит, рудный минерал гематит — окисел ферума (III) Fе₂О₃;

мартитовые, образованные в результате частичного окисает магнетита к гематиту, рудные минералы Fе₂О₃ и Fе₃О₄;

сидерит, рудный минерал сидерит — карбонат ферума FеСО₃;

бури залізняки, рудные минералы — водные окислы феруму, общая формула каких Fе₂О₃,• nН₂О; к этим минералам принадлежат гидрогематит (n = 0,1), гетит { n = 1,0) и лимонит ( n= 3,0);

титаномагнетиты, химическая формула каких FеTiО₃-Fе₃О₄, рудные минералы — ильменит (содержит 36,8 % Fе и 31,8 % Тi) и магнетит.

Полезные примеси химических элементов в железных рудах.Одним из компонентов чугуна есть марганец, который значительно улучшает механические свойства металла и способствует удалению из него серы. Он поступает в доменную плавку в составе агломерата или кусковой руды мангана. Наличие мангана в достаточном количестве в железной руде дает возможность избежать расходов на манганову руду, то есть снизить себестоимость чугуна. Никель и Хром является легирующими элементами, которые переходят из руды в чугун, а затем и в сталь, которая способствует повышению ее качества.

Вредные примесиразделяют на две группы: примеси, которые растворяются в чугуне и вредно влияют на его свойства, и примеси, которые не растворяются в чугуне, но вредно действуют на футерівку доменной печи.

Сера. В рудах железа Сульфур (сера) находится в виде сульфидов Ферума и сульфатов кальция и бария. Она растворяется в железе и предопределяет красную ломкость стали.

Фосфор. В процессе плавки фосфор почти полностью возобновляется и переходит в чугун, который значительно ухудшает прочность металла при низких температурах.

Арсен. Как и фосфор, арсен также ухудшает прочность металла. Кроме того, он снижает свариваемость стали.

Медь — достаточно вредная примесь в железных рудах, ухудшает свариваемую и предопределяет красную ломкость стали.

Цинк и свинец в чугуне не растворяются. Цинк имеет низкую температуру кипения (903 °С), в нижней части печи испаряющийся и струей газа выносится в верхние горизонты печи, где проникает в поры огнеупорного кирпича и швов футерівки и сублимируется с образованием кристаллов, которое предопределяет увеличение объема футерівки и разрывание металлического тулупа печи. Свинец имеет большую плотность в сравнении с чугуном, а потому накапливается под его слоем и разрушает под печи.

Требования кжелезорудным материалам и оценка их качества. Высоких технико-экономических показателей работы доменных печей достигают в случае выполнения таких требований:

физические свойства. Крупность — нижний предел 8(5) мм, верхняя — 50(30) мм Как можно меньшее количество мелочи крупностю 5(8) мм Высокая прочность и абразивная стойкость;

физико-химические свойства. Высокая способность к восстановлению, которая предопределяется пористостю и минералогическим составом. Да, за восстановимостю руды размещают в такой последовательности (по мере увеличения): магнитный, красный и бурый залізняки, сидерити;

химический состав руд. Высокое содержимое железа — богатство руды. За содержимым Ферума руды разделяют на бедные (Fе = 23 %), условно бедные (Fе - 23-45 %), рядовые (Fе - 45-60 %), богатые (Fе = 60 %) и очень богатые (Fе — до 70 %). Наличие полезных и ограниченное содержимое вредных примесей. Состав пустой породы. Постоянство химического состава руды.

Руды марганца.В сравнении с Ферумом марганец содержится в земной коре в значительно меньшем количестве — 0,1 %. Он является одним из химических элементов, которые входят в состав чугуна (зеркальный чугун — 10 — 15%) и феромарганец (свыше 75 %). Различают два основных вида манганових руд:

окислы, основными минералами которых является пиролюзит (МпО₂), браунит (Мп₂О₃), псиломелан (МпО₂ -МпО-Н₂0), гаусманит (Мп₃О₄), марганит (Мп₂О₃- Н₂0);

карбонатные, базовый минерал которых, — родохрозит (Мпс03).

В состав пустой породы входят окислы|оксид| силиция и магния, что образуют| сложные минералы. Вредные примеси — фосфор и сера.

Рисунок 1.5. Мировые подтвержденные запасы железных руд — 198,9 млрд. т (поданным ФГУНПП «Аэрогеология», 2000 г.)

Месторождения железных и манганових руд. Черная металлургия Украины полностью обеспечена отечественной железо и марганцерудным сырьем.

Основным месторождением железных руд Криворожское. Гематита и руды магнетита содержат в среднем 55 % железа, 0,04 — 0,05 % серы и фосфора, кислую пустую породу, мелочи размером менее как 10 мм — около 6,8 %. Запасы богатых руд составляют около 1,2 млрд т. Кроме того, в Криворожском бассейне есть значительные залежи бедных (35 — 37 % Fе) руд — кварцитов, запасы которых оценивают в 14,2 млрд т.

Криворожское месторождение гематитовых и мартитовых руд Украины располагается в Днепропетровской области узкой полосой шириной 3-й длиной до 90 км. Глубина залегания руды достигает на отдельных участках 500 м. Добычу ведут шахтным способом и открытыми (~50% всей добычи) разработками. Богатые руды (46—60% Fe), состоящие в большинстве случаев из гематита и кварца, находятся поверх скоплений бедных магнетитовых и гематитовых кварцитов. Руды чрезвычайно чисты по фосфору и сере. Магнетитовые кварциты (<46% Fe) подвергаются измельчению до крупности <75 мкм и магнитной сепарации на горно-обогатительных комбинатах. Концентраты обогащения кварцитов (39—41% Ре) содержат до 65—66% Fe и служат сырьем для изготовления агломерата и окатышей.

Кременчугское месторождение кварцитов магнетита, которые содержат около

ЗО % железа. Запасы — 1,1 млрд т. На базе этого месторождения построен Полтавский горно-обогатительный комбинат (ГОК).

Белозерское месторождение богатых гематитових руд, которые содержат около 64 % железа. Запасы — 200 млн т. На его базе работает Запорожский ГОК.

Керченское месторождение бурых залізняків. Запасы оценивают в 2 млрд т. В рудах содержится 33 — 42 % железа, 2 — 3,5 % мангану, 0,05 ванадию, 0,9 — 1,1 % фосфору, 0,05 — 0,15 % арсену. Пустая (нерудная) порода состоит из кремнезема и глинозема.

В Украине находятся два месторождения манганових руд — Никопольское в Днепропетровской области и Велико-токмацкое в Запорожской. Никопольское месторождение — одно из наибольших в мире, на 80 % состоит из піролюзиту и на 20 % из карбонатных руд. Содержимое марганца в среднем составляет 27 — 28 %. Пустая порода — кремнезем. В рудах Велико-токмацкого месторождения в среднем содержится 20 % марганца. Пустая порода основная. Месторождение разведано, но не эксплуатируется.

Флюсы для доменной плавки

Для доменных шлаков оптимальная основность изменяется в пределах 0,9— 1,4. Если основа пустой породы рудного материала В меньше, чем основность шлака В_шл, то с целью снижения температуры плавления пустой породы и предоставления шлаку нужных физико-химических свойств (плавкость, вязкость, текучесть, химическая активность), в состав шихты вводят добавку, которая содержит основные окислы СаО и Мgо (известняк или доломитизованый известняк). Если В > В_шл, то в состав шихты вводят материал, который содержит кислые окислы — кремнезем или железистый кварцит (порода с высоким содержимым кремнезема и низким — железа). Добавки, которые вводят в состав шихты, называют флюсами.

Поскольку в железной руде месторождений Украины пустая порода является кремнеземной, то как флюс доменной плавки используют известняк — естественную форму минерала кальцита (СаСО₃). С целью получения шлаков с содержимым окисла магния 6 —8 % в доменную или агломерацию шихту вводят доломитизований известняк, в котором кроме карбоната кальция содержится доломит (СаСО₃-МgO).

Месторождения флюсов.В Донецкой области находятся Еленивске, Новотпроицоке и Каракубское месторождения обычных и доломитизованих известняков, а в Крыму — Балаклавсоке и Камиш-бурунское.

1.4 Підготовка железной руды к плавке

1.4.1 Дробление руды – щековая, конусная, молотковая и валковая дробилки

Дробление руды с помощью дробилок - извлеченные из земных недр руды или техногенное сырье в большинстве случаев не могут быть непосредственно использованы в металлургическом производстве и поэтому проходят сложный цикл последовательных операций подготовки к доменной плавке. Отметим, что при добыче руды открытыми разработками в зависимости от расстояния между взрывными шпурами и размера ковша экскаватора величина крупных глыб железной руды может достигать 1000-1500 мм. При подземной добыче максимальный размер куска не превышает обычно 350 мм. Во всех случаях добываемое сырье содержит и большое количество мелких фракций.

Независимо от последующей схемы подготовки руды к плавке вся добываемая руда проходит прежде всего стадию первичного дробления, так как величина крупных кусков и глыб при добыче намного превышает размер куска руды, максимально допустимый по условиям технологии доменной плавки. Техническими условиями на кусковатость в зависимости от восстановимости предусматривается следующий максимальный размер кусков руды: до 50 мм для магнетитовых руд, до 80 мм для гематитовых руд и до 120 мм для бурых железняков. Верхний предел крупности кусков агломерата не должен превышать 40 мм.

На рисунке 1 показаны наиболее распространенные схемы установки дробилок на дробильно-сортировочных фабриках. Схемами а и б решается одна и та же задача дробления руды от <600 до <200 мм. Степень дробления руды (0 в обоих случаях составляет 600 : 200 = 3. Однако в исходной руде содержится некоторое количество фракции <200 мм, не нуждающейся в дроблении и занимающей часть рабочего пространства дробилки, снижая ее производительность. Эта фракция в результате частичного дробления переизмельчается, увеличивая выход мелочи и расход электроэнергии на дробление. По схеме б фракция <200 мм отделяется от руды перед дробилкой.

Рисунок 1.6. Схема дробления железной руды
а — «открытая»; б — «открытая» с предварительным грохочением; в — «замкнутая» с предварительным и поверочным грохоченим

При этом осуществляется принцип «не дробить ничего лишнего». Схемы а и б характеризуются тем, что крупность дробленого продукта не проверяется, т. е. схемы «открытые». Опыт показывает, что в дробленом продукте всегда имеется небольшое количество кусков, размер которых несколько превышает заданный. В «закрытых» («замкнутых») схемах дробленый продукт вновь направляется на грохот для отделения недостаточно измельченных кусков с последующим их возвратом в дробилку. При «закрытых» схемах дробления руды соблюдение верхнего предела крупности дробленого продукта гарантировано.

Самыми распространенными видами дробилок являются:

• конусные;
• щековые дробилки;
• валковые;
• молотковые.

Устройство дробилок показано на рис. 2. Разрушение кусков руды в них происходит в результате раздавливающих, раскалывающих, истирающих усилий и ударов. В щековой дробилке Блэка материал, вводимый в дробилку сверху, раздавливается качающейся 2 и неподвижной 1 щеками, а в конусной дробилке Мак-Кули — неподвижным 12 и вращающимся внутренним 13 конусами. Вал конуса 13 входит во вращающийся эксцентрик 18. В щековой дробилке только один ход подвижной щеки является рабочим, во время обратного хода щеки часть дробленого материала успевает выйти из рабочего пространства дробилки через нижнюю выпускную щель.

а — щековая; б — конусная; в — грибовидная; г - молотковая; д — валковая;
1 — неподвижная щека с осью вращения; 2 — подвижная щека; 3, 4 — эксцентриковый вал; 5 - шатун; 6 - шарнирная опора задней распорной щеки; 7 - пружина; 8, 9 — механизм регулировки ширины разгрузочной щели; 10 — тяга замыкающего устройства; 11 — станина; 12 — неподвижный конус; 13 — подвижный конус; 14 — траверса; 15 — шарнир подвески подвижного конуса; 16 — вал конуса; 17 - приводной вал; 18 — эксцентрик; 19 — амортизационная пружина; 20 — опорное кольцо; 21 — регулирующее кольцо; 22 — подпятник конуса; 23 — ротор; 24 — отбойные плиты; 25 — колосниковая решетка; 26 — молоток; 27 — основная рама; 28 — дробящие валки

Рисунок 1.7. Конструктивные схемы дробилок

Производительность наиболее крупных щековых дробилок не превышает 450—500 т/ч. Характерными для щековых дробилок являются случаи запрессовки рабочего пространства при дроблении влажных глинистых руд. Кроме того, щековые дробилки не должны применяться для дробления руд, имеющих плитчатое сланцевое строение куска, так как отдельные плитки в случае ориентации их длинной оси вдоль оси щели выдачи дробленого материала могут проходить через рабочее пространство дробилки не разрушаясь.

Питание щековых дробилок материалом должно быть равномерным, для чего пластинчатый питатель устанавливают со стороны неподвижной щеки дробилки. Обычно щековые дробилки применяют для дробления крупных кусков руды (i= 3-8). Расход электроэнергии на дробление 1 т железной руды в этих установках может колебаться от 0,3 до 1,3 кВт-ч.

В конусной дробилке ось вращения внутреннего конуса не совпадает с геометрической осью неподвижного конуса, т. е. в любой момент дробление руды происходит в зоне приближения поверхностей внутреннего и наружного неподвижного конусов. При этом в остальных зонах происходит выдача дробленого продукта через кольцевую щель между конусами. Таким образом дробление руды в конусной дробилке осуществляется непрерывно. Достигаемая производительность составляет 3500-4000 т/ч (i = 3-8) при расходе электроэнергии на дробление 1 т руды 0,1—1,3 кВт-ч.

Конусные дробилки с успехом можно применять для руд любого типа, в том числе со слоистым (плитчатым) строением куска, а также для глинистых руд. Конусные дробилки не нуждаются в питателях и могут работать «под завалом», т. е. с рабочим пространством, полностью заполняемым рудой, поступающей из расположенного выше бункера.

Короткоконусная грибовидная дробилка Саймонса отличается от обычной конусной дробилки удлиненной зоной выдачи дробленого продукта, обеспечивающей полное дробление материала до заданного размера кусков.

В молотковых дробилках дробление руды осуществляется главным образом под действием ударов по ним стальных молотков, закрепленных на быстровращающемся валу. На металлургических заводах в таких дробилках измельчают известняк, используемый затем в агломерационных цехах. Хрупкие материалы (например, кокс) могут быть измельчены в валковых дробилках.

После первичного дробления богатая малосернистая руда фракции > 8 мм может использоваться доменными цехами, фракция <8 мм, называемая «аглорудой», подвергается окускованию на агломерационных фабриках. Загрузка мелких фракций руды в доменные печи резко ухудшает техн и ко-экономические показатели доменной плавки. В большом количестве мелочь выносится из печи восходящим потоком доменного газа и оседает в пылеулавливателях. Затем ее направляют на аглофабрику.

Часть мелких фракций все же усваивается печью, резко ухудшая газопроницаемость столба шихты, так как мелкие частицы заполняют пространство между более крупными кусками. Необходимо помнить, что отделение мелочи от доменной шихты во всех случаях дает значительный технико-экономический эффект, улучшая ход процесса, стабилизируя вынос пыли на постоянном минимальном уровне, что в свою очередь способствует постоянству нагрева печи и снижению расхода кокса.

Богатые сернистые руды дробят до крупности <8 мм и подвергают агломерации, в ходе которой удаляется из руд 98% сульфидной серы. Бедные руды измельчают до крупности <74 мкм, чтобы разрушить сростки рудного минерала с пустой породой, и направляют на обогащение