Шихтовые и футеровочные материалы и их характеристики

 

Сырье после его добычи перерабатывается, а в случае необходимости после предварительной подготовки используется в составе шихт. Шихты типичны для черной и цветной металлургии, коксохимии, производства цементов, варки стекла, технологий основной химии, которые по составу представляют смесь исходных и флюсующих материалов для наиболее полного извлечения ценных компонентов и получения качественного товарного продукта при наименьших затратах. Значительная часть компонентов шихты не переходит в товарный продукт и при переработке образует твердые, жидкие или газообразные отходы. Твердыми являются шлаки (металлургические, химические, топливные), золы, пыль; жидкие – различные фильтраты, сливы, стоки, осадки технологических туманов; газообразные – отходящие производственные газы.

Флюсы представляют собой добавки, необходимые для придания шихте требуемых технологических свойств (заданной температуры плавления, вязкости, других физических свойств), обеспечивающих наиболее полное и быстрое отделение полезных компонентов из шихты.

Технологические процессы протекают в агрегатах различных конструкций и форм, которые в ряде случаев достигают громадных размеров: до 250 м в длину (печи для обжига цементного клинкера), до 100 м в диаметре (сгуститель обогащения полезных ископаемых), до 100 м в высоту (грануляционные башни в производстве азотных удобрений). Внутренний объем технологических аппаратов может достигать нескольких десятков тысяч кубических метров, а их единичная мощность – нескольких миллионов тонн перерабатываемого сырья в год.

Они имеют широкие диапазоны давлений и температур, реализуемые в технологиях. Например, в процессах протекающих в вакууме, величина остаточного давления зачастую не превышает 0,1 Па, а при производстве азотной кислоты давление в автоклавах достигает 40 МПа. Разделение воздуха на азот и кислород осуществляют при температуре минус 190ºС, а некоторые металлургические процессы – при 2000ºС и более. Управляемый термоядерный синтез, требует для реализации уровня в 100 миллионов градусов.

Для сооружения технологических устройств используют различные конструкционные материалы: сталь, чугун, цветные металлы, бетон, кирпич. Их выбор обусловлен основными параметрами процесса (давлением, температурой, объемом и количеством реагирующих масс). Для увеличения срока службы конструкционных материалов и защиты их от непосредственного контакта с исходными и конечными продуктами технологических процессов, используют футеровку.

Футеровка, т.е. облицовка внутренней поверхности технологических агрегатов, изготавливается из материалов, обладающих специфическими свойствами, например из огнеупорных, химически стойких и теплоизоляционных.

При работе агрегатов при температуре до 1000ºС в качестве футеровки используют резину, пластмассы, смолы, теплостойкий кирпич, бетон, керамику, каменное литье.

Особую группу футеровочных материалов составляют огнеупоры, которыми называют строительные материалы, используемые для сооружения тепловых агрегатов и способные противостоять действию высоких температур, а также физическим и физико-химическим процессам протекающих в этих агрегатах.

Основные характеристики этих материалов – огнеупорность, химический состав, термостойкость, пористость и газопроницаемость, механическая стойкость и теплопроводность.

Огнеупорность выражает способность материалов выдерживать действие высоких температур, не расплавляясь. По этому признаку изделия разделяют на три группы с температурой плавления 1580–1770ºС (нормальные), 1770–2000ºС (высокоогнеупорные) и более 2000ºС (высшая огнеупорность).

Химический состав огнеупоров должен соответствовать характеру протекающего в данном агрегате процесса и составу образующегося шлака – кислого или основного, иначе шлак взаимодействует с огнеупорами и быстро разъедает кладку. Кислыми шлаками (основность менее единицы) быстро разрушаются основные огнеупоры, а основными (СаО/SiO₂>1) – кислая кладка.

Термостойкость огнеупоров выражает их способность выдерживать резкие колебания температур без растрескивания и разрушения, которая измеряется числом водяных теплосмен, т.е. количеством раз возможного нагрева торцов кирпича до 850ºС и их охлаждения проточной водой до растрескивания изделия. Термостойкость динаса составляет 1–3, шамота 10–25, хромомагнезита 5–12.

Расход огнеупорных материалов зависит от вида процесса, например, при доменной плавке составляет 4 кг на 1 т чугуна, но может быть в несколько раз большим при получении одной тонны стали.

Условно-сравнительная стоимость огнеупорных изделий: динасовых – 1; шамотных, магнезитовых и хромомагнезитовых 0,9–1,3; высокоглиноземистых 1,8–3,1; графитовых – 5; цирконовых – 50.

 

Вопросы для самопроверки

 

1 Раскройте понятие "шихта" для различных технологических процессов.

2 В чем состоит назначение флюсов?

3 Приведите примеры промышленных агрегатов, имеющих огромные размеры в длину, высоту и в диаметре.

4 Укажите диапазоны давления и температуры, реализуемые в различных технологиях.

5 Какова роль футеровки технологических агрегатов?

6 Какие материалы используются в качестве футеровки?

7 Что такое огнеупоры? Назовите их основные характеристики.

8 Какие материалы используются в производстве огнеупорных изделий?

 

Обогащение и окускование полезных ископаемых

Общие сведения

 

Обогащение и окускование являются подготовительными (промежуточными) процессами между технологиями добычи полезных ископаемых и их глубокой химической, физико-химической или биохимической переработки для получения конечной товарной продукции. Необходимость подготовительных процессов обусловлена тем, что полезные ископаемые, добытые из недр, редко можно направить в непосредственную переработку. Этому препятствует низкое содержание извлекаемых компонентов и (или) присутствие вредных примесей. При исчерпании запасов полезных ископаемых и развития технологических процессов в переработку вовлекаются более бедное сырье. Например, если в начале ХХ века добывали медные руды, содержащие в основном 3–5% меди, то в настоящее время используются руды с 1,0% меди и менее. Применяется все большее количество углей с повышенным содержанием серы, которое в коксе снижает производительность доменных печей и увеличивает расход кокса.

Для улучшения качества исходного сырья и показателей последующей переработки прибегают к обогащению полезных ископаемых, которое позволяет отделить значительную часть пустой породы и примесей, повысив концентрацию ценных компонентов. Например, содержание меди с 1% в медных рудах может увеличиться до 30–40% в концентрате, поэтому обогащение полезных ископаемых повышает техническую и экономическую эффективность их использования, улучшает качество готовой продукции, ведет к сокращению транспортных расходов.

В результате обогащения руд получают несколько продуктов: концентраты, хвосты и промежуточные продукты.

Концентраты – продукты обогащения, в которых содержание полезных компонентов выше, а вредных примесей ниже, чем в исходном сырье. Концентраты получают название по преобладающим в них ценных компонентов, например, железорудные, угольные, медно-свинцовые, медно-свинцово-цинковые концентраты.

Хвосты – продукты обогащения в которые переходят пустая порода, вредные примеси и часть полезных ископаемых. Содержание последних в хвостах мало и дальнейшая их переработка для извлечения ценных элементов на данной стадии развития науки и техники экономически неоправданна. Однако хвосты – отходы конкретного технологического цикла – могут быть использованы в других отраслях производства в качестве исходного сырья. Например, хвосты обогащения руд черных и цветных металлов, в зависимости от химического и гранулометрического состава, могут быть использованы как щебень, песок, заполнители при производстве бетона и других строительных материалов.

Промежуточные продукты имеют содержание основных компонентов меньшее, чем в концентрате, но большее чем в руде. Их качество ниже требований к концентратам и выше допустимого для хвостов.

Технологический процесс обогатительных фабрик характеризуется рядом показателей.

Выход концентрата (γ) и хвостов (τ) – их количество, выраженное в абсолютных весовых единицах, в долях единицы или в процентах от количества исходного сырья.

Извлечение (ε) – выраженное в процентах отношение количеств компонента в каком либо продукте и в исходной руде. Сумма извлечений компонента во все продукты технологического процесса или операции составляет 100%.

Распространение процессов обогащения полезных ископаемых, сопряженных с дроблением и измельчением исходных материалов, привело к появлению значительного количества мелких концентратов и рудной мелочи. Однако есть технологические процессы, которые возможны и эффективны при наличии материала с размером зерен не менее 5–10 мм, т.е. шихта и отдельные ее компоненты должны быть предварительно окускованы. Во многих случаях химико-металлургический процесс может быть реализован только в высоком проницаемом слое (столбе) шихты, что возможно лишь при использовании кускового материала. Непригодными для непосредственной переработки являются дисперсные отходы, подлежащие утилизации: пыли и шламы различных производств, прокатная окалина, пиритные огарки, коксовая мелочь и т.п.

Подготовку полезных ископаемых проводят на месте добычи или у потребителя сырья. Выбор варианта определяется экономическим анализом. Строительство фабрик обогащения и окускования по первому варианту сокращает транспортные расходы, так как пустая порода остается на месте, отходы могут быть использованы для закладки горных выработок и карьеров. В этом случае фабрики входят в состав горно-обогатительных комбинатов (ГОК), включающих предприятия по добыче полезных ископаемых. Сооружение фабрик обогащения и окускования у потребителей, например, на производственной площадке металлургического комбината позволяет более компактно и эффективно сочетать технологии подготовки полезных ископаемых с их глубокой переработкой.

 

Подготовка к обогащению

 

Добытое полезное ископаемое представлено кусками различной крупности со сросшимися минералами. Чтобы облегчить разделение последних, сырье необходимо предварительно подготовить к обогащению: уменьшить размер его кусков от исходных 1200–1500 мм до 0,1 мм и менее.

Подготовка к обогащению включает операции дробления и измельчения полезных ископаемых, сочетаемые с процессами грохочения и классификации.

 

Дробление и измельчение

 

Крупность добываемых полезных ископаемых очень различается. При открытой добыче размер отдельных кусков достигает 1000–1500 мм, а при подземной – 300–800 мм.

Для дальнейшего использования материал такой крупности должен быть предварительно подвергнут дроблению. Дробление представляет собой процесс уменьшения размера кусков твердого материала, его разрушение под действием внешних сил для придания кускам материала определенной крупности. Чем тоньше измельчена руда, тем полнее рудные зерна могут быть отделены от пустой породы.

Дробление и измельчение руды – энергоемкий и дорогостоящий процесс, поэтому обогатители руководствуются принципом, «не дробить ничего лишнего», т.е. дробить руду только до нужных размеров и только в необходимом количестве.

Для выполнения этого принципа процесс дробления руды разделяют на несколько стадий и перед каждой из них проводят классификацию (рассев) для выделения готовых по размеру кусков и мелочи, чтобы не подвергать их повторному дроблению.

Выделяют несколько стадий дробления и измельчения в зависимости от крупности исходного и конечного материала (таблица 4.1).

Под степенью К дробления и измельчения понимают отношение размеров наибольших кусков руды и продуктов дробления.

Дробление осуществляют в аппаратах, называемых дробилками, а измельчение – в мельницах. Дробление можно выполнять следующими методами: раздавливанием, истиранием, раскалыванием, ударом и сочетанием перечисленных выше способов (рисунок 4.1).

 

Таблица 4.1

Стадия дробления	Начальная крупность, мм	Конечная крупность, мм	С тепень дробления К
Крупное	400–1500	150–250	3–6
Среднее	150–400	20–100	3–8
Мелкое	20–100	6–15	3–8
Грубое	20–40	0,3–1,0	20–60
Тонкое	0,3–20	0,1 и менее	20–100

а – раздавливание; б – истирание; в – раскалывание; г – удар

 

Рисунок 4.1 – Схематическое изображение

основных способов дробления

 

Основные схемы дробильных аппаратов представлены на рисунке 4.2.

Щековые дробилки периодически раздавливают материал металлической неподвижной и качающейся поверхностью (щеками). Неподвижная плита устанавливается вертикально, подвижная – под углом к ней. Этот тип дробилок применяется для крупного дробления. Их производительность достигает 1000 т/ч при размере загрузочного отверстия 1500–2100 мм.

Конусные дробилки используют на всех стадиях дробления. Дробящие поверхности их выполнены в виде двух усеченных конусов, меньший из которых расширяющейся нижней частью входит в сужающуюся нижнюю часть большого конуса. Меньший конус подвижный (движется эксцентрично), а больший конус неподвижный. Подвижный конус перекатывается по внутренней поверхности неподвижного конуса и в местах сближения конусов происходит дробление кусков, а на противоположной стороне через кольцевую щель выдается дробленый продукт. Производительность дробилки достигает 4500 т/ч.

 

а – щековая дробилка; б – конусная дробилка; в – дробильные валки;

г – бегуны; д – мельница; е – дезинтегратор; ж – молотковая мельница;

з – шаровая мельница

 

Рисунок 4.2 – Схема дробильных аппаратов

Валковые дробилки применяют для среднего и мелкого дробления, здесь материал раздавливается между двумя вращающимися навстречу друг другу гладкими, рифлеными или зубчатыми цилиндрическими валками с зазором от 1 до 100 мм. Их производительность достигает 250 т/ч. Валки предпочтительнее при дроблении хрупких материалов, так как дают минимальное переизмельчение материала.

Молотковые дробилки разрушают полезное ископаемое ударами молотков, находящихся на валу вращающегося со скоростью 800–1000 об/мин барабана. Дробление происходит в результате ударов, наносимых кускам молотками. Выдача дробленого материала происходит через отверстия колосниковой решетки в нижней части корпуса. Производительность молотковых дробилок достигает 1500 т/ч и более.

Для тонкого измельчения применяют шаровые мельницы, представляющие вращающийся барабан, внутрь которого загружают материал и мелющие тела – обычно стальные шары. Внутреннюю поверхность барабана футеруют износоустойчивыми стальными или чугунными плитами. При вращении барабанов мелкие тела поднимаются на некоторую высоту и падают, разбивая и истирая куски материалов. Производительность крупных шаровых мельниц достигает 150–200 т/ч. В зависимости от среды, в которой проводят измельчение, различают мельницы сухого и мокрого помола. При мокром помоле измельчение проводят в водной среде, что предупреждает агрегацию тонких частиц, пыление материала и обеспечивает более равномерный гранулометрический состав готового продукта.

 

Грохочение и классификация

 

Разделение или сортировку материалов на классы крупности при помощи решеток или механических сит называют грохочением, а разделение в воде или в воздухе на основе разности скоростей падения зерен различной крупности – классификацией. Грохочением разделяют материалы крупностью 1–3 мм, а более мелкие – классификацией.

Материал, поступающий на грохочение, называют исходным, остающийся на сите – надрешетным продуктом, прошедший через сита – подрешетным продуктом.

Аппараты для грохочения называют грохотами, их основным рабочим органом является решето или сито. Наибольшее распространение получили грохоты с колебательным движением решета. Придание решету грохота колебательных движений повышает производительность и КПД грохота до 95–98%. Колебания решетки обеспечивает подбрасывание исходного материала и его перемещение вдоль решета с эффективным просеиванием мелочи.

Гидравлическая классификация (разделение) тонкоизмельченных материалов основана на том, что в воде более крупные частицы оседают быстрее, чем мелкие.

 

Обогащение

 

Руды, добываемые из недр земли, не удовлетворяют требованиям металлургического производства по содержанию основного металла и вредных примесей, поэтому нуждаются в обогащении.

Под обогащением понимают процесс обработки полезных ископаемых, целью которого является повышение содержания полезного компонента путем отделения рудного минерала от пустой породы. В результате обогащения получают готовый продукт – концентрат, более богатый по содержанию определенного металла, чем исходная руда, и остаточный продукт – хвосты, более бедный, чем исходная руда.

Способы обогащения основаны на использовании различий в физических и физико-химических свойствах слагающих руду минералов. При хорошей размываемости минерала водой применяют промывку; при различной плотности – гравитационное обогащение, при магнитной восприимчивости – магнитное обогащение, на использовании различных физико-химических поверхностных свойств основана флотация.

Конечный результат обогащения характеризуют степенью извлечения (e, %) полезного элемента, которую определяют из соотношения e=(g·b)/ α, где g и b – соответственно содержание извлекаемого элемента в исходной руде и в концентрате, %.

Промывка представляет собой процесс разрушения и диспергирования глинистых и песчаных пород, входящих в состав руды, которую применяют для руд с плотными разновидностями рудных минералов, не размываемых водой, и с рыхлой пустой породой.

Сравнительно простой и совершенный способ – это гравитационное обогащение в тяжелых средах. Руду погружают в жидкость, плотность которой больше плотности пустой породы. Тяжелые зерна рудного минерала осаждаются на дно, а частицы пустой породы всплывают. Тяжелая среда представляет собой суспензию–взвесь тонкого порошка тяжелого вещества, например, ферросилиция (для обогащения железных руд).

Магнитная сепарация – наиболее распространенный способ обогащения железных руд, основанный на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы. Магнитное обогащение состоит в том, что дробленную руду вводят в магнитное поле, где намагничиваются зерна, которые притягиваются магнитом и движутся в одном направлении, в то время как немагнитные зерна (пустая порода) движутся в другом направлении (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 – Схема барабанного магнитного сепаратора

для сухого обогащения крупных руд

Флотация базируется на том, что одни минералы (в тонкоизмельченном состоянии в водной среде) не смачиваются водой, прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются, всплывают и флотируют на поверхность подобно воздушному шару, образуя минерализованную пену. Это гидрофобные тела. Другие минералы смачиваются водой, не прилипают к воздушному пузырьку и остаются в пульпе. Это – гидрофильные тела.

Усреднение вызвано непостоянством химического состава железных руд и их гранулометрического состава. Это крайне отрицательно влияет на показатели работы доменных печей. Особенно вредное влияние оказывает наличие мелочи в шихте. Увеличение содержания мелочи в шихте (менее 3 мм) на 10% приводит к увеличению расхода кокса на 4–7% и снижению производительности печи на 6–8%.

Вопросы оптимизации гранулометрического состава шихты решаются путем дробления агломерата и отсева мелочи от окускованной шихты. Задача усреднения железорудных материалов по химическому составу решается, в основном, на складах, где хранят запас руды перед агломерацией или окомкованием, а также рудных дворах в доменных цехах. Здесь за счет формирования рудного штабеля горизонтальными слоями и забора материала из штабеля поперек слоев (сверху донизу) обеспечивается усреднение отгружаемой со склада руды.