Исследование влияния бенто-полимерных композиций на свойства железорудных окатышей и совершенствование на этой основе технологии подготовки шихты для их производства

Рост конкуренции на внутреннем и международных рынках железорудного сырья, наряду с возрастающей стоимостью энергоносителей, ставят перед всеми, без исключения, производителями такого продукта две основные проблемы: повышение его качества и снижение затрат на его производство. Традиционные пути решения каждой из этих проблем обычно оказываются альтернативными в достижении совместной цели: пути решения одной из проблем, часто исключают возможность разрешения другой, и наоборот. Поэтому разработка технических решений, одновременно обеспечивающих выполнение обеих задач, является исключительно актуальным направлением исследований.

Соответственно, рассматривая варианты решения указанных проблем, одним из них принято считать разработку и реализацию мероприятий по совершенствованию технологии подготовки сырых окатышей. Это, некоторым образом, позволяет не только улучшить технико-экономические показатели работы обжиговой машины, но и повысить качество и его стабильность в обожженном продукте. Однако, последний показатель, являющийся, на первый взгляд, довольно абстрактным, представляет собой гамму характеристик, определяющих поведение окатыша от процесса его получения до восстановительно-тепловой обработки. Поэтому, если потребителей железорудного сырья интересует, главным образом, общее содержание железа, прочность при восстановлении и восстановимость, то его производителейкачество сырых (прочность, пластичность и гранулометрический состав), определяющих, в конечном счете, технико-экономические показатели работы обжиговых машин, а также обожженных окатышей, как характеристику, определяющую цену их реализации.

Резко возросший в настоящее время поток рекламных материалов и информации об альтернативных связующих — полимерах, требует проведения анализа их реальной ценности в формировании свойств железорудных окатышей. Проводимые ранее сравнительные испытания свойств сырых и обожженных окатышей, содержащих бентонит или полимер в качестве связующего, а также их поведение при восстановительно — тепловой обработке, выявили ряд интересных особенностей. В частности, у окатышей с полимерами отмечено некоторое снижение показателей качества в сыром и сухом состоянии (по используемым стандартным методикам, что будет отмечено далее), однако их свойства при восстановлении, в частности, восстановимость, заметно увеличиваются. Таким образом, качественный бентонит способствует улучшению показателей качества сырых, сухих (что особенно важно при сушке окатышей) и обожженных окатышей, а полимерное связующее снижает эти характеристики, однако определяет значительный рост металлургических свойств. Однако производимые ранее исследования не носят систематический характер, а их результаты являются дискуссионными.

Таким образом, классификация, оптимизация состава, свойств и дозировки полимерсодержащих связующих, является исключительно актуальной задачей.

Цель и задачи исследований.

Целью диссертационного исследования является разработка и апробация в промышленных условиях технических решений по оптимизации свойств и составов полимерсодержащих связующих для повышения качества окатышей и улучшения технико-экономических показателей их производства.

Проведенный анализ литературных данных о роли связующих при формировании как свойств сырых и обожженных окатышей, так и показателей их производства, позволил сформулировать задачи исследования, направленные на разработку нетрадиционных решений по использованию новых связующих, позволяющих совместить преимущества и бентонитов и полимерных связующих.

К числу их относятся:

• 1. Проведение систематизации реологических свойств БПК и на этой основе разработка теоретических основ механизма формирования свойств связующего и качества сырых окатышей при использовании БПК. Проведение его экспериментальной апробации;

• 2. Исследование влияния различных типов БПК на свойства сырых и обожженных окатышей (офлюсованных и неофлюсованных);

• 3. Разработка технологии подготовки БПК с сохранением их реологических свойств в процессе переработки и с целью повышения эффективности ее использования;

• 4. Разработка технологии ввода полимерной и бентонитовой составляющих БПК в шихту для окомкования;

• 5. Проведение комплексных промышленных испытаний эффективности использования БПК при производстве железорудных окатышей и их последующем переделе.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Система взглядов о влиянии БПК на структуру и свойства сырых и обожженных окатышей;

2. Системный подход к анализу реологических свойств бенто-полимерных композиций;

3. Технология приготовления БПК и шихты для окомкования, включая раздельный ввод бентонитовой и полимерной составляющих.

Степень достоверности результатов исследований. Проведенные исследования и их обработанные результаты, представленные в диссертационной работе, отличаются высокой степенью достоверности, так как выполнялись с использованием комплекса современных стандартных методик в лабораторных, опытно-промышленных и промышленных условиях. При обработке результатов использованы современные методы анализа и статистической обработки. При этом противоречий известным физическим и физико-химическим положениям не установлено.

Практическая значимость работы.

Разработана технология подготовки БПК с сохранением их реологических свойств в процессе переработки в условиях фабрики окомкования ОАО «Михайловский ГОК»;

Показана и подтверждена в ходе промышленных испытаний возможность повышения качества окатышей и технико-экономических показателей их производства в условиях нескольких горно-перерабатывающих предприятий России (ОАО «Михайловский ГОК», ОАО «Карельский окатыш») за счет использования БПК в качестве связующего.

Реализация результатов работы.

Результаты произведенных промышленных исследований показали возможность использования бентонито-полимерных композиций на ОАО «Михайловский ГОК» и ОАО «Карельский окатыш» в качестве связующей добавки при снижении их общей дозировки в шихте по сравнению с бентонитовым порошком, а также повышением качества получаемых окатышей. При этом было отмечено снижение удельного расхода природного газа на 0,2 м3/т годных окатышей и электроэнергии на 0,5 кВт*ч/т годных окатышей.

Произведенные полупромышленные испытания на ОАО «Карельский окатыш» позволили снизить расход бентонита на 20+30%, уменьшить количество просыпи на роликовом укладчике на 34% отн., увеличить прочность обожженных окатышей на 15,0%, улучшить газодинамику процесса обжига окатышей.

Работа выполнялась в ИМет УрО РАН и НПВП ТОРЭКС.

Выводы.

В период 23.07.03+21.09.03г. на ФОК комбината проведены полномасштабные промышленные испытания производства офлюсованных окатышей с использованием в качестве связующего бентополимерной композиции (БГЖ) производства НГЖ «Бентонит». Отработаны технологии подготовки БГЖ, производства сырых окатышей и их термообработки на обжиговых машинах. Определены технологические и теплоэнергетические показатели работы оборудования и технологических линий.

Результаты промышленных испытаний БГЖ и их сравнение с показателями работы ФОК при использовании в качестве связующего Хакасского бентонита без добавки полимеров показали:

1. Использование БГЖ обеспечивает повышение качества обожженных окатышей ОАО «МГОК», улучшение технико-экономических показателей работы ФОК:

— использование БГЖ приводит к увеличению пористости на 1+3%, отн.;

— расход связующего в шихту снижен с 0,523 до 0,432% (на сухую массу), т. е. на 17,4%;

— снизились удельные расходы энергоносителей по фабрике. Удельный расход природного газа снизился на 0,2 м3/т годных окатышей, электроэнергии — на 0,5 квт*ч/т годных окатышей;

— производительность О.М. № 1 была увеличена на 0,6%;

— в период работы 18+19.08.03г. зафиксировано снижение дозировки БГЖ до 0,35%. Работа в течение 3-х смен не выявила ухудшения как свойств окатышей, так и технико-экономических показателей обжиговых машин;

2. При подготовке БГЖ могут быть обеспечены следующие показатели работы сушильно-размольной технологической линии:

— производительность по исходному материалу влажностью 17+20% - до 30 т/ч;

— удельный расход природного газа 10+12 м3/т исходного материала;

— удельный расход электроэнергии — 80+85 квт*-ч/т;

3. При использовании БПК качество сырых окатышей и показатели работы отделения окомкования изменяются незначительно. Эти выводы, а также сравнительные оценки эффективности использования, кроме БПК, хакасского, греческого и дашуковского бентонитов в качестве связующего, позволили рассматривать БПК как наиболее перспективный тип связующего для концентратов ОАО «Михайловский ГОК».

5.4. Исследование металлургических свойств окатышей.

Исследования проводились с целью сравнения металлургических свойств базовых и полученных в период промышленных испытаний окатышей, содержащих БПК в качестве связующего.

Анализировались коэффициенты реакций восстановления окатышей при различных температурах, а также прочность частично восстановленных окатышей. Эти характеристики являются основанием для определения восстановимости и прочности при восстановлении — параметров, в значительной степени определяющих технико-экономические показатели доменной плавки.

Исследования проводились на лабораторных установках ООО «НПВП ТОРЭКС», предназначенных для изучения массообменных характеристик различных рудных и нерудных материалов при обжиге в восстановительной и окислительной газовых средах при различных температурах по стандартной методике.

Анализируя коэффициенты реакций восстановления базовых и опытных окатышей (рис. 5.6+5.7), видно, что при температуре восстановления 700 °C окатыши с полимерными добавками, хотя и незначительно (их коэффициенты реакции восстановления лишь на 0,2% вы.

Ъгя Бант 0.54 tw- 0,4%. ПЕ.1 ¦ Ьеят-0"W. П63-Bern -0 35−4, ПЬЗ-2% Бент ¦ 0.36*. ПШ — 2*.

Рис. 5.6 — Коэффициент реакции восстановления окатышей, восстановленных при 700 °C.

База Бент. 0,5% Бент, — 0,35%, ПБЗ — Бент.- 0,38%, ПБЗ.

2% 2%.

Рис, 5.7 — Коэффициент реакции восстановления окатышей, восстановленных при 900 °C ше), но имеют лучшую восстановимость, чем базовые. При температуре восстановления 900 °C коэффициенты реакции восстановления окатышей с полимерными добавками на 17,2% выше, чем базовых. Альтернативным показателем восстановимости является прочность окатышей при восстановлении (рис. 5.8+5.9).

Проведем анализ изменения металлургических свойств окатышей различных горизонтов слоя на обжиговой машине. Большинство обожженных окатышей нижней части слоя имели визуально видимые поверхностные трещины, которые еще больше развились в процессе восстановления. Соответственно, коэффициент реакции восстановления «ни.

150 140 130 120 110 100 70 о: 60 50 40 30 20 10 0.

Рис, 5.8 — Прочность частично восстановленных окатышей при 700 °C.

110 100 90 80 70 ж 60 * 50.

30 20 10 0.

Рис. 5.9 — Прочность частично восстановленных окатышей при 900 °C за" слоя имеет, в среднем, величину большую на 25+35%, чем «верха» слоя.

Лучшая восстановимость окатышей нижней части слоя связана, по видимому, с большей реакционной поверхностью. При восстановлении окатыши нижней части слоя разупрочняются также в большей степени, чем верхней.

Прочность частично восстановленных (до 30%) окатышей с полимерными добавками на 5,3% выше, чем базовых. При этом в окатышах с БПК количество связующего почти в два раза меньше, чем в базовых (0,35+0,38 и 0,51 соответственно).

База. Бент, — Бент, — Бент, — Бент,-Бент. 0,5% 0.4%, ПБ1 0,45%, 0,35%, 0,38%, -2% ПБЗ-2% ПБЗ — 2% ПБЗ-2%.

1-L ¦ низ ¦ верх.

Т— ч.

База. Бент. 0,5% Бент, — 0,35%, ПБЗ Бент, — 0,38%, ПБЗ — 2% - 2%.

Одним из элементов структуры окатышей является объемная доля магнетитового ядра, которая характеризуется содержанием двухвалентного железа (FeO). Поэтому одним из косвенных показателей качества окатышей может служить содержание в них FeO. Чем меньше концентрация этого компонента, тем большей металлургической ценностью обладают окатыши.

Существует взаимосвязь скорости восстановления окатышей с содержанием в них FeO. Результаты исследований кинетики процессов восстановления выявили увеличение константы скорости реакции при понижении содержания FeO (рис. 5.10).

FeO.

Рис. 5.10 — Зависимость коэффициента реакции восстановления от содержания FeO в окатышах.

Таким образом, сравнительный анализ базовых окатышей ОАО «Михайловский ГОК» и окатышей из этого же концентрата с добавками БПК показал эффективность ее использования для достижения повышенных металлургических свойств. Результаты проведенных ранее лабораторных исследований, показавших, что полимерное связующие определяет значительный рост металлургических свойств окатышей, достаточно полно отобразились и при промышленных испытаниях. Максимальная скорость восстановления, при наибольшей прочности, характерна у окатышей с добавками полимеров.

Полученные характеристики восстановимости и прочности позволили произвести оценку технико-экономических показателей доменной плавки с использованием логико-статистической модели доменного процесса, разработанной в Институте металлургии УрО РАН. Параметры и результаты расчетов показателей работы д.п. № 3 при замене рядовых окатышей Михайловского ГОКа (база) на опытные (с БПК) при их доле в шихте 100 и 30% представлены в таблице 5.7. Так, при содержании окатышей в шихте 30%, при использовании БПК производительность доменной печи по результатам расчетов увеличится на 9 тонн в сутки, а удельный расход кокса снизится с 439 до 436,7 кг/т чугуна. При условии большей доли окатышей в шихте доменной печи, эти показатели улучшаться еще в большей степени.

Анализируя выход и состав колошникового газа, видно, что его количество при плавке на опытных окатышах уменьшилось на 8 м /т чугуна (0,5%) и содержание СО, характеризующее работу восстановительного газа, уменьшилось на 0,15%, абс.

Таким образом, в результате проведения тестовых испытаний по определению восстановимости окатышей, содержащих БПК, выявлено повышение металлургических свойств обожженных окатышей:

— увеличена пористость — на 1%, абс.;

— содержание FeO уменьшено на 0,4%, абс.;

— коэффициент реакции восстановимости окатышей увеличился на 17,2% при температуре 900 °C;

— прочность при восстановлении (по выходу фракции — 5мм) увеличена на 5,3%.

Использование логико-статистической модели доменного процесса, разработанной в Институте металлургии УрО РАН показывает, что эффективность при использовании обожженных офлюсованных окатышей с БПК в качестве связующего в доменных печах составляет:

— уменьшение расхода кокса на 6 кг/т чугуна;

— увеличение производительности печи — на 1%;

Заключение

.

Анализ результатов испытаний по введению полимер-минерального связующего (ПМС) в состав окатышей в количестве 150, 200 и 280 г/т конц., при производстве офлюсованных окатышей на ОМ-1 ЦПО ОАО «Карельский окатыш», показал:

1). При использовании ПМС показатели пластичности и прочности сырых и сухих окатышей, по сравнению с базовым периодом (без ПМС) уменьшились. Однако, одновременно снизился процент просыпи из-под роликого укладчика, что может быть связано с изменением структуры как самого окатыша, так и слоя сырых окатышей, загружаемых на обжиговую машину;

2).

Введение

ПМС в состав окатыша незначительно повышает его среднемассовый диаметр;

3). Показатели прочности обожженных окатышей повышаются на 15−25% (при различных дозировках ПМС);

4). Оптимальной дозировкой ПМС при имеющихся на момент испытаний условий производства окатышей, по совокупности полученных данных, следует считать 200 г/т конц.;

5). Возможность снижения дозировки бентонита до 30−40% от базового периода, за счет замещения его значительно меньшим количеством ПМС;

6). Формирование более равномерной пористости с отсутствием магнетитового ядра, что приводит к повышению холодной прочности;

7). Добавка ПМС в шихту приводит к увеличению восстановимости уже при дозировке его в 150 г/т конц. Дальнейшее увеличение дозировки не оказывает ощутимого влияния.

На основе положительных результатов даже кратковременных исследований принято решение о проведении длительных промышленных испытаний.

Заключение

по работе.

В работе впервые изучены и систематизированы реологические свойства основных типов бенто-полимерных связующих — эффективная вязкость и набухаемость, определено их влияние на качественные характеристики сырых и обожженных окатышей.

Исследования проводили с российскими полимерами (ПБ, ИПС производства НИК «Бентонит») и импортными (Floform, Peridur). При этом указанные реологические свойства, сравнительно с бентонитовым связующим, имеют более сложные зависимости при введении полимерной составляющей в состав шихты, что соответственно отражается на качественных характеристиках окатышей. Разработаны теоретические предпосылки механизма формирования качества сырых окатышей на основе модельных представлений о взаимодействии бенто-полимерных композиций с частицами железорудного концентрата. Развиты представления о наследственной взаимосвязи качества сырых и обожженных окатышей, а также их свойств при последующем восстановительном переделе.

В результате проведения лабораторных и опытно-промышленных исследований выявлено положительное влияние бенто-полимерных связующих на структуру и качественные характеристики окатышей, произведена систематизация различных полимерсодержащих связующих по их роли в формировании качества окатышей. Определена оптимальная дозировка бенто-полимерной композиции в составе шихты (0,35−0,4%) с целью выведения из процесса части бентонитового порошка с одновременным обеспечением заданных качественных характеристик получаемых окатышей. При этом оптимальное количество полимерной составляющей в шихте составляет 0,010−0,012%. Использование бенто-полимерных композиций (БПК), кроме возможности уменьшения расхода связующего, позволяет решить и наиболее актуальную для потребителей железорудных окатышей проблему — улучшение их металлургических свойств, на что указывает модификация поровой структуры окатышей (создание более развитой структуры с уменьшением размеров пор) и соответствующее увеличение пористости, уменьшение содержания FeO и повышение прочности обожженных окатышей.

Проведение исследований как с получением неофлюсованных, так и офлюсованных окатышей при наличии БПК в качестве связующего, позволило выявить влияние известняка на изменение качественных характеристик сырых и обожженных окатышей.

Разработана технология подготовки БПК в промышленных условиях, заключающаяся в изменении температурного режима ее сушки в сушильных барабанах и последующего помола (с одновременной досушкой) в мельницах с сохранением ее реологических свойств в процессе переработки для улучшения качественных характеристик окатышей.

Впервые разработаны и научно обоснованы способы раздельного ввода полимерной и бентонитовой составляющих в шихту для окомкования в связи с различными механизмами их влияния на формирование структуры окатыша. Так, время выдержки шихты после введения полимерной составляющей требуется не более двух минут, а бентонитовой — 60+90 минут. В соответствии с этим предложено техническое решение, суть которого состоит в раздельной подаче компонентов связующего: на первой стадии подается бентонит в количестве 30+80% от общего его содержания в связующем, требующий наибольшего времени взаимодействия с железорудным концентратом. На второй — бентонито-полимерная композиция или полимерное связующее, имеющее, например, интерполимерный состав, и оставшаяся часть бентонита.

Проведенные комплексные лабораторные и опытно-промышленные исследования позволили подготовить и провести масштабные промышленные испытания бенто-полимерных композиций в качестве связующего при производстве окатышей на ОАО «Михайловский ГОК» и ОАО «Карельский окатыш» (Приложения 1 и 2). Результаты проведенных промышленных испытаний показали, что использование БПК определяет улучшение металлургических свойств окатышей и снижение энергозатрат на их производство.

В качестве рекомендуемых направлений дальнейших исследований рассматривается использование интер-полимерных и полимер-минеральных связующих, позволяющих более эффективно модифицировать структуру окатыша и снижать расход бентонита. Результатом их использования на ОАО «Карельский окатыш» явилось не только повышение газодинамических свойств слоя окатышей, но и существенное (на 15+25%) увеличение их прочности на сжатие.

Разработанные технические решения по подготовке связующих и их использование в шихте применены в проекте новой фабрики окомкования на ОАО «Михайловский ГОК».