УПРОЧНЯЮЩАЯ ДОБАВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО АГЛОМЕРАТА Российский патент 2020 года по МПК C22B1/14 C22B7/04 

Изобретение относится к области подготовки сырья и может быть использовано при производстве железорудного агломерата.

Из авторского свидетельства СССР №169130 известен способ упрочнения агломерата и повышения скорости его спекания, в котором, с целью создания в зоне спекания жидких фаз однокальциевого феррита, в шихту, например, в количестве 10% от веса, вводят порошковатую смесь извести и железосодержащего материала, взятых в стехиометрическом соотношении, отвечающем формуле однокальциевого феррита. Для упрочнения агломерата и повышения скорости его спекания приготавливают смесь, состоящую из тонкоизмельченной извести и порошковатого железосодержащего материала. Эти компоненты берут в стехиометрическом соотношении, отвечающем формуле однокальциевого феррита (СаО-Ре₂О₃). Жидкая фаза однокальциевого феррита хорошо смачивает и пропитывает агломерационную шихту, в результате чего образуется прочный агломерат.

Из авторского свидетельства СССР №1315504 известна упрочняющая добавка для получения железорудных окатышей. Известная добавка содержит железосодержащий материал, содержащий железо в окисленной форме, связующее и нерудные минералы. Прочность окатышей повышается при использовании материала с высокой связующей способностью на 3-10%. В качестве материала с высокой связующей способностью применяют глинистые отходы обогащения элювиальных ильменитовых песков в количестве 0,4-0,6 мас. %. Глинистые отходы обогащения элювиальных ильменитовых песков на 84,3% представлены фракцией менее 0,001 мм, содержат до 10-15% Al₂O₃ и 15-35% Fe₂O₃.

Из патента №2110589 известно о том, что закись железа взаимодействует с SiO₂ пустой породы с образованием фаялита - FeSiO₄, в котором растворяется оксид кальция.

Из патента №2673899 известно о том, что фаялит (2FeO⋅SiO₂) позволяет размывать тугоплавкие высокоосновные соединения.

Из патента РФ №2462520 известна упрочняющая добавка для получения железорудных окатышей, которая содержит железосодержащий материал, содержащий железо в окисленной форме, связующее и нерудные минералы, согласно изобретению в качестве железосодержащего материала содержит железо в восстановленной форме в виде вюстита и металлического железа, при этом в качестве железа в окисленной форме содержит гематит и магнетит, а в качестве связующего - фаялит при следующем соотношении, мас. %: гематит 1,2-62,4; магнетит 2,0-15,0; вюстит 1,0-37,0; железо металлическое 0,5-12,0; фаялит 3,0-68,5; нерудные минералы - остальное, при этом содержание общего железа составляет 42,5-61,0%, а соотношение железа в окисленной и восстановленной форме составляет 0,04-39,5.

Упрочняющее действие добавки по патенту №2462520 обусловлено взаимодействием входящих в ее состав минералов с частицами железорудного концентрата окатышей и образованием легкоплавких соединений, скрепляющих рудные зерна в процессе обжига прочной минеральной связкой. Повышение прочности окатышей также достигается за счет уменьшения количества микротрещин, образующихся в процессе обжига и охлаждения обожженных окатышей. Фаялит является ведущим минералом, способствующим снижению температуры плавления упрочняющей добавки. Нижний предел содержания фаялита в упрочняющей добавке, т.е. 3,0%, обусловлен минимальным его количеством, достаточным для образования легкоплавкой связки и снижения количества микротрещин в окатышах в процессе обжига и охлаждения. При содержании фаялита в упрочняющей добавке менее 3,0% легкоплавкой связки недостаточно для упрочнения структуры окатышей. Верхний предел содержания фаялита в упрочняющей добавке, т.е. 68,5%, обусловлен максимальным его количеством, которое возможно при искусственном производстве из природных компонентов.

Упрочняющая добавка по патенту №2462520 выбрана в качестве наиболее близкого аналога.

Известные технические решения не позволяют обеспечить увеличение производительности агломашин и повышение прочности агломерата.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением повышение металлургических свойств железорудного сырья.

Технический результат, достигаемый изобретением - повышение прочности агломерата и производительности процесса его производства.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что упрочняющая добавка для получения железорудного агломерата, характеризуется тем, что она получена в результате выделения из конвертерного никелевого шлака железосодержащего материала с содержанием фаялита и магнетита при следующем соотношении компонентов, мас. %:

2FeO⋅SiO₂ (фаялит) - (40-60);

Fe₂O₃ (гематит) - (5-25);

FeO⋅Fe₂O₃ (магнетит) - (5-12);

Fe (железо металлическое) - до 3;

SiO₂ - (18-38);

CaO - (1,0-10);

MgO - (1,0-10);

Al₂O₃ - (1,0-4,0);

прочие компоненты - до 2.

Выделение из конвертерного никелевого шлака материала с содержанием фаялита можно осуществлять методом магнитной сепараций.

Выделение из конвертерного никелевого шлака материала с содержанием фаялита можно осуществлять методом магнитной сепараций после удаления компонентов с содержанием никеля и хрома.

Заявляемая упрочняющая добавка является продуктом переработки конвертерного никелевого шлака. Наличие высокого содержания фаялита в конверторном никелевом шлаке, обусловлено технологией производства никеля. При производстве никеля, чтобы очистить никель от железа, железо специально связывают в устойчивое соединение - фаялит (2FeO⋅SiO₂).

Химический и массовый состав конвертерного никелевого шлака в основном соответствует следующему химическому составу:

Основная задача, стоящая в агломерационном производстве повышение прочностных (механических) характеристик агломерата при сохранении показателей производительности агломерационных машин.

Из изобретения по патенту №2462520 известно влияние фаялита на повышение прочности окатышей за счет его (фаялита) связующих свойств, а именно: фаялит способствует уменьшению количества микротрещин, образующихся в процессе обжига и охлаждения обожженных окатышей. Фаялит является ведущим минералом в укрепляющей добавке в изобретении по патенту №2462520, способствующим снижению температуры плавления упрочняющей добавки, поскольку известно, что, чем меньше интервал между температурой размягчения и температурой плавления (температурный интервал плавления), тем эффективнее ее упрочняющее влияние.

Из источника «О работе доменных печей с высокой долей окатышей в шихте», А.В. Павлов, О.П. Онорин, Н.А. Спирин, И.Е. Косаченко, УДК 669.162 на странице 147 известно, что температурный интервал плавления окатышей значительно больше (400°С), чем температурный интервал плавления агломерата (170°С). При этом температура плавления агломерата составляет 1390°С, а температура размягчения агломерата составляет 1219°С. Температура плавления окатышей составляет 1488°С, а температура размягчения окатышей составляет 1088°С.

Из-за увеличения толщины вязкопластичной зоны шлакообразования характерного при широком температурном интервале размягчения-плавления доменная плавка неофлюсованных железорудных окатышей в печи будет характеризоваться повышенным нижним перепадом давления газов и ограниченной вследствие этого интенсивностью плавки.

Перед авторами стояла проблема повышение прочности агломерата, а также проблема утилизации конвертерного шлака никелевого производства.

В заявляемом изобретении получают упрочняющую добавку путем обработки исходного никелевого шлака с получением нового продукта (упрочняющей добавки) следующего химического состава, мас. %:

- 2FeO⋅SiO₂ (фаялит) - (40-60);

- Fe₂O₃ (гематит) - (5-25);

- FeO⋅Fe₂O₃ (магнетит) - (5-12);

- Fe (железо металлическое) - до 3.

Поскольку, как уже отмечалось выше, фаялит имеет низкую температуру плавления (1090-1150°С), он будет способствовать получению жидкой фазы (расплава) в верхней части аглоспека и его упрочнению. Одновременно, низкая температура плавления заявляемой упрочняющей добавки будет способствовать снижению температуры плавления агломерата и, как следствие, повлечет к сужению температурного интервала размягчения-плавления агломерата.

Размер зоны когезии определяется вязкопластичными свойствами агломерата. Вязкопластичные свойства железорудного сырья (в данном случае агломерата) характеризуют расположение и определяют ширину зоны вязкопластичного состояния в доменной печи -зону когезии и оказывают существенное влияние на газопроницаемость столба шихты в печи и, в значительной степени, определяют производительность доменной печи. Необходимо стремиться к сужению зоны когезии, что позволит повысить газопроницаемость столба шихты и повысить производительность доменного процесса.

Эффективность заявляемой упрочняющей добавки в процессе производства железорудного агломерата проявляется в увеличении количества расплава в процессе спекания за счет увеличения массовой (и объемной) концентрации соединений, имеющих низкую температуру плавления по сравнению с прототипом. Появление существенно большего количества расплава позволяет в большем объеме ассимилировать (вовлечь в процесс плавления) гранулы окомкованной аглошихты. Дополнительно меняется минеральная структура агломерата и упрочняется верхний слой агломерата. Таким образом, решается проблема, связанная с тем, что на всех агломашинах верхний слой агломерата (примерно 30-70 мм) из-за больших потерь тепла в атмосферу получается плохо «пропеченным». В условиях высоких теплопотерь температура шихты остается недостаточной, чтобы полноценно оплавить окомкованную шихту, поэтому верхняя часть агломерата содержит много неоплавленных гранул шихты (которые при дальнейшем грохочении готового агломерата уйдут в подрешетный продукт) и характеризуется недостаточной прочностью тех объемов агломерата, которые образовались. Повышение прочности агломерата за счет более полного ассимилирования (растворения) тугоплавких оксидов в расплаве и изменения минералогии агломерата позволяет повысить выход годного агломерата, и, тем самым, повысить производительность процесса производства железорудного агломерата.

Увеличение количества расплава в результате использования упрочняющей добавки увеличивает, в свою очередь, время существования расплава, т.е. как бы расширяется фронт реакции с максимальной температурой и жидкой фазой.

Агломерат состоит из рудных зерен (минералы железа) и связки (минералы SiO₂, СаО, MgO), скрепляющие эти рудные зерна. Минералогия связки определяет прочность агломерата. С компонентами шихты приходят SiO₂, СаО, MgO. Эти оксиды, как правило, «сами по себе» и не связаны с другими соединениями. Очень важно в аглопроцессе эти отдельные оксиды связать в прочные соединения, например в однокальциевый силикат CaO⋅SiO₂. Если эти оксиды не связать, то оксид кремния образует связку на основе стекла, имеющую низкую прочность. Оксид кальция и магния останутся самостоятельными фазами и негативно повлияют на прочность. Например, СаО в агломерате при контакте с водой будет гидратировать и разрывать агломерат и т.д. Упрочняющая добавка, расширяя время пребывания жидкой фазы в процессе, увеличивает вероятность связывания этих оксидов в стабильные соединения, тем самым меняя минералогию связки и, как следствие, увеличивая прочность агломерата.

Количественное определение компонентов, определяющих эффективность упрочняющей добавки, осуществлялось с учетом следующего.

Количество фаялита в упрочняющей добавке определялось исходя из содержания железа (II) по формуле: C_{(2FeO⋅SiO2)}=С(FeO)×1.417, где

C_{(2FeO⋅SiO2)} - содержание фаялита;

C_(FeO) - содержание железа (II), определенное по ГОСТ Ρ 53657-2009.

Определение содержания FeO (закиси железа) осуществляется по ГОСТ Ρ 53657-2009 «Руды железные, концентраты, агломераты и окатыши. Метод определения железа (II) в пересчете на оксид».

Определение количество фаялита через содержание кремнезема (SiO₂) может привести к значительным погрешностям, поскольку определение кремнезема в упрочняющей добавке может быть затруднено процессами разложения фаялита и наличием несвязанного с железом кремнезема.

Относить все железо в упрочняющей добавке (железо общее) на фаялит тоже неверно, поскольку помимо фаялита железо в упрочняющей добавке представлено в формах железа металлического (Fe_мeт), магнетита (Fe₃O₄) и гематита (Fe₂O₃).

По результатам проведенных фазовых анализов для эффективной работы упрочняющей добавки выявлено следующее оптимальное содержание компонентов в упрочняющей добавке (% вес.):

- Фаялит - 40-60;

- Гематит - 5-25;

- Магнетит - 5-12;

- Железо металлическое до 3.

Содержание железа металлического Fe_мeт осуществляется по ГОСТ 23581.11 с последующей корректировкой содержания железа (II) в соответствии с п. 8.3 ГОСТ Ρ 53657-2009.

Учитывая содержание закиси железа в упрочняющей добавке, для проведения химического анализа необходимо использовать навеску массой равной 0,25 г и использовать при титровании раствор, содержащий калия двухромовокислого 3,4122 г (раствор А).

Помимо вышеприведенных компонентов в никелевом шлаке содержатся такие компоненты, как:

- SiO₂ - (18-38);

- СаО - (1,0-10);

- MgO - (1,0-10);

- Al₂O₃ - (1,0-4,0);

- прочие компоненты (до 2).

Указанные компоненты также могут быть полезны, поскольку СаО, MgO, Al₂O₃ шлакообразующие (флюсующие) компоненты упрочняющей добавки. Наличие этих компонентов в упрочняющей добавке позволит скорректировать в меньшую сторону применение других флюсов в агломерации.

Состав указанных компонентов (SiO₂, СаО, MgO, Al₂O₃) и их количество не получают и не обеспечивают специальным образом, поскольку эти характеристики определяются генезисом никелевого шлака, стабильностью используемого сырья и стабильностью технологических режимов при производстве никеля. Поэтому количественный и качественный состав компонентов определяется природой никелевого шлака и при наличии соответствующего компонента в никелевом шлаке, его количество после удалении железосодержащих компонентов из шлака будет соответствовать количеству, приведенному выше.

Авторами были проведены технологические эксперименты (испытания) заявляемой упрочняющей добавки в процессе лабораторных спеканий агломерата.

Во всех примерах осуществления заявляемого способа получали упрочняющую добавку из конвертерного никелевого шлака.

Фракционный состав входящего сырья (конвертерного никелевого шлака) составляет 0-500 мм.

На первом этапе осуществляют рассев исходного сырья на мобильных сортировальных комплексах Terex. Отделяют мелкую фракцию 0-10 мм и пылевидные примеси от основного объема.

Затем осуществляют дробление исходного сырья на щековых дробилках (СМД-109) до фракции - 80 мм.

Далее осуществляют двухступенчатую магнитную сепарацию с выделением следующих продуктов:

- материала с высоким содержанием фаялита (упрочняющую добавку) и материала с высоким содержанием никеля и хрома (он удаляется из основного продукта).

Получали материал с высоким содержанием фаялита (упрочняющая добавка) с химическим и массовым составом в пределах заявленного, мас. %:

- Фаялит - 40-60;

- Гематит - 5-25;

- Магнетит - 5-12;

- Железо металлическое до 3.

Затем производили дробление на конусных дробилках (КМД 1200-Т) материала с высоким содержанием фаялита (упрочняющей добавки) до фракции 0-10 мм.

Как следует из таблиц, изобретение позволило повысить скорость спекания, выход годного агломерата, производительность процесса, а также прочность агломерата.

На агломерационных шихтах разных комбинатов использовалась упрочняющая добавка немного различающегося состава. Это было связано как с разными временными интервалами проведения лабораторных исследований, так и с различиями в обогащении исходного никелевого шлака. Но состав упрочняющей добавки всегда укладывался в приведенный диапазон содержаний.

Пример 1. Содержание фаз железа в УД, вес. %: фаялит 40,0; магнетит 6,0; гематит 5,0; железо металлическое - 0,6. Химический состав УД (все фазы железа пересчитаны на FeO), вес. %: FeO - 41,3; SiO₂ - 35,8; СаО - 8,8; MgO - 9,1; Al₂O₃ - 3,0; прочее - 2,0.

Пример 2. Содержание фаз железа в УД, вес. %: фаялит - 50,0; магнетит - 8,7; гематит - 13,5; железо металлическое - 2,8; Химический состав УД (все фазы железа пересчитаны на FeO), вес. %: FeO - 59,3; SiO₂ - 26,9; СаО - 4,6; MgO - 4,5; Al₂O₃ - 2,7; прочее - 2,0.

Пример 3. Содержание фаз железа в УД, вес. %: фаялит - 60,0; магнетит - 10,3; гематит - 23,0; железо металлическое - 3,0; Химический состав УД (все фазы железа пересчитаны на FeO), вес. %: FeO - 76,7; SiO₂ - 18,0; СаО - 1,4; MgO - 1,2%; Al₂O₃ - 1,1; прочее - 1,6.

Изобретение относится к области подготовки сырья и может быть использовано при производстве железорудного агломерата. Упрочняющая добавка для получения железорудного агломерата получена в результате выделения из конвертерного никелевого шлака железосодержащего материала с содержанием фаялита и магнетита при следующем соотношении компонентов, мас. %: 2FeO⋅SiO₂ (фаялит) - 40-60; Fe₂O₃ (гематит) - 5-25; FeO⋅Fe₂O₃ (магнетит) - 5-12; Fe (железо металлическое) - до 3; SiO₂ - 18-38; СаО - 1,0-10; MgO - 1,0-10; Al₂O₃ - 1,0-4,0; прочие компоненты - до 2. Техническим результатом, достигаемым изобретением, является повышение прочности агломерата и производительности процесса его производства. 2 з.п. ф-лы, 4 табл., 3 пр.

1. Упрочняющая добавка для получения железорудного агломерата, характеризующаяся тем, что она получена в результате выделения из конвертерного никелевого шлака железосодержащего материала с содержанием фаялита и магнетита при следующем соотношении компонентов, мас. %:

2FeO⋅SiO₂ (фаялит) - 40-60;

Fe₂O₃ (гематит) - 5-25;

FeO⋅Fe₂O₃ (магнетит) - 5-12;

Fe (железо металлическое) - до 3;

SiO₂ - 18-38;

СаО - 1,0-10;

MgO - 1,0-10;

Al₂O₃ - 1,0-4,0;

прочие компоненты - до 2.

2. Упрочняющая добавка по п. 1, отличающаяся тем, что выделение из конвертерного никелевого шлака материала с содержанием фаялита осуществляют методом магнитной сепарации.

3. Упрочняющая добавка по п. 1, отличающаяся тем, что выделение из конвертерного никелевого шлака материала с содержанием фаялита осуществляют методом магнитной сепарации после удаления компонентов с содержанием никеля и хрома.