Обжиг руд

В девятнадцатом столетии обжиг представлял собой весьма распространенный способ подготовки железных руд к доменной плавке. Обжиг производился в окислительной атмосфере и служил для удаления гидратной влаги из бурых железняков, для удаления серы и повышения восстановимости магнетитовых руд. Однако в настоящее время эти задачи решаются попутно в процессах окускования руд и концентратов, а окислительный обжиг применяется в незначительных масштабах для разложения карбонатов и для удаления серы при подготовке сидеритов.

В последнее время все большее значение приобретает обжиг окисленных руд (красных и бурых железняков) в восстановительной атмосфере с целью перевода слабомагнитной окиси железа в магнетит (Fe₃O₄) и последующего обогащения продуктов обжига эффективным способом – магнитной сепарацией. Поэтому такой обжиг называют магнетизирующим. Восстановление оксида железа при этом идет по следующим реакциям:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂

или. (7.70)

3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₂O₃ + H₂O

Несмотря на принципиальную простоту этого способа, при практическом осуществлении его возникает ряд серьезных трудностей. Обжиг должен быть организован таким образом, чтобы вся окись железа восстанавливалась до магнетита; вместе с тем нельзя допускать перехода Fe₃O₄ в FeO, так как монооксид железа так же, как и окись, обладает слабомагнитными свойствами.

Поскольку железные руды обычно представлены соединениями железа с кислородом, процесс их магнетизирующего обжига удобно рассматривать в системе железо – кислород. Диаграмма состояния этой системы представлена на рисунке 7.56. Гематитовая руда (около 30 % кислорода и 70 % железа) представлена правой заштрихованной областью, бурожелезняковые и сидеритовые руды, содержащие менее 70 % железа, расположены правее этой области (точки Л и С). Известно, что термодинамически наиболее благоприятным является восстановление при температурах ниже 570^оС, когда продуктами восстановления могут быть только магнитные вещества Fe₃O₄ и металлическое железо.

При нагреве бурожелезняковой руды до температуры 310-400^оС дегидратация ее заканчивается, и она превращается в гематитовую руду (точка Б). Ход восстановления по реакциям (7.70) изображен отрезком БВД. Оно заканчивается в точке Д, когда вся руда превращена в магнетит. В промежуточной стадии процесса (например, точка В) лишь часть гематита превращена в магнетит.

Соотношение количества восстановленного до Fe₃O₄ гематита к его исходному количеству называется степенью магнетизации при обжиге и соответствует отношению отрезков ВБ: ДБ. Численно степень магнетизации (r) определяется по формуле:

%, (7.71)

где FeO и Fe – содержания FeO и Fe в обожженной руде, %;

2,33 – отношение содержания Fe_общ: FeO в магнетите (168: 72).

Следует отличать степень магнетизации от степени восстановления руды при обжиге. При полном восстановлении гематита до магнетита степень восстановления составляет всего лишь 11,0 %, в то время как степень магнетизации равна 100 %.

В точке Д восстановление руды до Fe₃O₄ заканчивается, и ее надо немедленно охлаждать, так как дальнейший нагрев и восстановление руды приведет только к увеличению расхода тепла и времени на обжиг (снижению производительности установки) без существенной пользы для обогащения.

При быстром охлаждении в бескислородной атмосфере состав восстановленной руды не изменится (отрезок ДМ). Если же охлаждение будет в присутствии кислорода, то произойдет процесс обратного окисления, т.е. изменения состава по линии ДВБА, с полной потерей магнитных свойств. Если охлаждение проводить по линии ДЕИ при температуре ниже 400^оС, при которой устойчив маггемит (γ -Fe₂O₃), то магнетит окислится до маггемита с сохранением магнитных свойств руды.

Маггемитом называют минерал, имеющий химический состав гематита, а кристаллическую решетку магнетита, вследствие чего он обладает высокой магнитной восприимчивостью. Решетка маггемита кубическая со значительными нарушениями за счет выхода части ионов железа из решетки магнетита (т.е. имеет вакансии). Маггемит устойчив при температуре ниже 400^оС. При нагревании выше этой температуры маггемит частично или полностью переходит в гематит с перестройкой кристаллической решетки в равновесную тригональную систему с потерей магнитных свойств.

При оптимальном ходе процесса обжига (по линии АБВДЕИ или СБВДЕИ) расход тепла на нагрев руды при прочих равных условиях, является наименьшим. При нарушении режима обжига восстановление не прекращается в точке Д, а идет дальше по линии ДФ. Это приводит к снижению производительности печи, дополнительному расходу тепла и восстановителя на перевосстановление Fe₃O₄ до металлического железа. Однако процесс обжига при температурах ниже 570^оС идет с малой скоростью.

На практике магнетизирующий обжиг окисленных руд ведут при температурах значительно более высоких – до 750-800^оС (например, по линии АБГП). Предельной температурой является температура начала размягчения руды. Повышение температуры значительно интенсифицирует процесс восстановления и повышает производительность печей, в которых осуществляется обжиг. Оптимальная степень магнетизации, т.е. исключение “перевосстановления” (образование вюстита), достигается за счет уменьшения продолжительности обжига и низкой концентрации восстановителей (СО и Н₂) в газовой фазе печи. При температуре обжига 800-900^оС содержание СО или Н₂ не должно превышать 20-30 %. В этих условиях процесс также идет медленно.

Для достижения высокой производительности обжиг ведут при относительно высоких температурах (800-1000^оС) и концентрации восстановительных газов. Учитывая кратковременность пребывания руды в печи и зональный характер восстановления, не удается получить в продуктах обжига только магнетит – в руде всегда присутствует либо некоторая часть недовосстановленной Fe₂O₃, либо появляется вюстит. Оптимальные условия обжига, при которых наибольшее количество железа руды находится в виде Fe₃O₄, находят опытным путем. Эти условия определяются физико-химическими свойствами руды, температурно-тепловыми и газодинамическими параметрами процесса, конструкцией печи и др. Существенное влияние на результаты оказывает гранулометрический состав руды. В крупных кусках одновременно существуют две зоны (Fe₂O₃ и Fe₃O₄ или Fe₃O₄ и FeO). Не удается достичь хороших результатов при обжиге полидисперсного материала – за одно и то же время процесса мелкие и крупные куски оказываются восстановленными в различной степени. Таким образом, получение обожженной руды высокого качества требует уменьшения размера ее кусков и повышения ее однородности по гранулометрическому составу.

Очевидно, что восстановленную при высоких температурах руду нельзя охлаждать на воздухе, так как произойдет ее окисление. Учитывая, однако, неравномерность обжига, процесс ведут с некоторым перевосстановлением. При последующем охлаждении на воздухе происходит окисление вюстита поверхностных слоев до магнетита или при низких температурах окисления – до маггемита.

Восстановительно-окислительный обжиг считают наиболее приемлемым для практики: наряду с высокими магнитными свойствами маггемита процесс более экономичен, чем восстановительный обжиг, т.к. часть энергии, затраченной на восстановление оксидов железа, может быть возвращена при окислении до маггемита.

Наибольшее распространение при восстановительном обжиге железных руд получили трубчатые вращающиеся печи и печи кипящего слоя.

Трубчатая печь представляет собой установленную на ролики длинную металлическую трубу (длиной до 60 м) диаметром 3,5-4,0 м, футерованную внутри огнеупорным кирпичом, вращающуюся со скоростью 1-2 об/мин (рис.7.57). Благодаря наклону оси вращения к горизонту под углом около 5 градусов руда (крупностью 0-25 мм) перемещается вдоль трубы к ее нижнему – разгрузочному – концу. Теплообмен в трубчатых вращающихся печах осуществляется по схеме противотока, то есть навстречу материалу по свободному сечению трубы движется поток газа – продуктов горения топлива в торцевой горелке. Нагрев материала происходит за счет конвекции (от потока газа) и теплопроводностью (от футеровки). За время пребывания в печи (около 2 часов) из руды испаряется влага, удаляются летучие и, наконец, в нижней высокотемпературной части печи происходит восстановление до Fe₃O₄. Регулировка температур по длине печи происходит с помощью газовых периферийных горелок. В одних случаях обожженная руда сразу разгружается в охладительный барабан с водой, в других – подвергается частичному окислению воздухом перед окончательным безокислительным охлаждением. Производительность вращающихся трубчатых печей составляет около 1000 т/сут при расходе условного топлива 5-6 % от массы руды. К недостаткам трубчатых вращающихся печей следует отнести относительно низкую производительность, повышенный расход топлива, трудности в регулировке температур по длине печи, неодинаковые температуры по сечению слоя руды, в результате чего кусочки руды оказываются восстановленными в различной степени.

Более совершенными в технологическом отношении являются печи “кипящего слоя”, основным элементом которых служит горизонтальный под с большим количеством отверстий специальной конструкции. Если через слой мелкой руды, помещенной на такую решетку, снизу вверх продувать газ, то при достижении определенной скорости его движения слой переходит во взвешенное состояние. При этом сыпучий материал приобретает некоторые свойства жидкости: поверхность слоя всегда горизонтальна, материал может “переливаться” через перегородки. По внешнему виду из-за интенсивного взаимного перемещения частичек слой материала напоминает кипящую жидкость, поэтому его называют “кипящим слоем”.

Сущность этого явления заключается в том, что при так называемой первой критической скорости динамический напор газового потока становится достаточным для того, чтобы преодолеть силу тяжести отдельных частичек и нести их с собой вверх. Однако после выхода из слоя газ распределяется на все сечение реактора, скорость его снижается, и он больше не может удерживать частичку во взвешенном состоянии, которая падает на поверхность слоя. Каждое мгновение часть зерен материала перемещается по слою снизу-вверх, другие опускаются вниз – происходит интенсивное перемешивание сыпучего материала. Благодаря такому характеру движения слой в состоянии “кипения” имеет значительно больший объем, чем неподвижный, так как каждая частичка отделена от другой частички газовой прослойкой. Большая поверхность контакта твердого материала и газа обусловливает высокую интенсивность в кипящем слое химических реакций, теплообмена, материал по высоте слоя имеет практически одинаковую температуру.

Исходя из условий газодинамики, для перевода материала во взвешенное состояние в слой должно подаваться в единицу времени достаточно большое количество газа, который не успевает за короткое время пребывания в слое передать материалу большую часть своего тепла – газ выходит из слоя с высокой температурой, процесс характеризуется значительными теплопотерями. Для устранения этого недостатка и повышения экономичности печи кипящего слоя делают обычно многоподовыми (многозонными) – рисунок 7.58. В них поток газа проходит последовательно несколько слоев – зон. В свою очередь сыпучий материал “перетекает” из одной зоны в другую с помощью специальных переточных устройств, затем в третью и т.д. в направлении, обратном движению газового потока. Теплообмен здесь осуществляется по схеме противотока. Многоподовые печи кипящего слоя характеризуются высоким коэффициентом использования тепла.

Для облегчения перевода во взвешенное состояние материал, подвергаемый обжигу, должен быть измельчен до крупности 2-3 мм; из него необходимо отсеять пылевидные фракции, в противном случае они все равно будут вынесены из печи газовым потоком (в некоторых случаях пылеунос достигает 25 %). Еще один недостаток заключается в том, что максимальная температура в зоне обжига ограничивается величиной, при которой происходит размягчение рудных зерен. С превышением этой температуры происходит слипание частиц в гроздья и нарушение нормального характера движения материала в слое. Указанные недостатки послужили основной причиной того, что печи кипящего слоя не нашли пока широкого распространения в черной металлургии, они находятся в стадии конструктивных доработок и промышленного освоения.

Кроме указанных агрегатов для магнетизирующего обжига используются шахтные печи. Ведутся работы по обжигу в вихревых камерах.

Несмотря на то, что магнетизирующий обжиг позволяет получать железорудные концентраты высокого качества, этот способ подготовки из-за своей высокой стоимости (до 40 % себестоимости концентрата) применяется только в тех случаях, когда другие способы обогащения не дают удовлетворительных результатов.

Дата добавления: 2015-07-21