СПОСОБ МАГНИТНОГО ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2021 года по МПК C22B1/00 

Изобретение относится к магнитному обогащению железосодержащих руд и может быть использовано в черной металлургии.

Известно применение обжигмагнитного обогащения, включающего восстановительный (или магнетизирующий) обжиг - процесс термической обработки сырых материалов в восстановительной среде с последующим обогащением полученного сильномагнитного материала [Малыгин А.В., Мальцев В.А., Видуецкий М.Г. Рудоподготовительные процессы в плавильном производстве. - Екатеринбург: ООО АМК «День РА», 2016. - 415 с.; Кармазин В.И, Губин Г.В., Юров П.П. Обжигмагнитное обогащение железных руд. - М.: Недра, 1969. - 168 с.; Тациенко П.А. Обжиг руд и концентратов. - М.: Металлургия, 1985. - 232 с.] Данный способ является наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому.

Известны также и другие способы магнетизирующего обжига слабомагнитных железных руд [А.с. 116150 СССР, А.с. 980629 СССР, А.с. 1167204 СССР, А.с. 1341209 СССР, А.с. 1700057 СССР].

Получение сильномагнитных продуктов обжига позволяет обеспечить разделение железосодержащих частиц и частиц пустой породы методами магнитной сепарации в слабых магнитных полях сепараторов с постоянными магнитами при минимальных затратах энергии и средств. Магнетизирующий обжиг ведут в шахтных печах, печах кипящего слоя, конвейерных печах, вихревых камерах и других агрегатах.

Задача магнетизирующего обжига - обеспечение такого режима восстановления железной руды, при котором слабомагнитные минералы (гематит, сидерит, гидроксиды железа) превращаются в сильномагнитные минералы: магнетит и маггемит (γ-Fe₂O₃). Магнетит имеет удельную магнитную восприимчивость, равную 50000⋅10^-6 Э, что позволяет подвергать руду обогащению на электромагнитных сепараторах. Гематитовая руда Fe₂O₃ - слабомагнитная с магнитной восприимчивостью, равной 250⋅10^-6 Э, что недостаточно для обогащения руды на слабомагнитных сепараторах. При этом степень восстановления (магнетизации) руды определяется по формуле:

r=2,33⋅FeO/Fe,

где FeO и Fe - общее содержание FeO и железа в обожженной руде соответственно; 2,33 - отношение Fe/FeO в магнетите.

Руда восстановлена до магнетита, если величина r становится равной 1,0. При дальнейшем восстановлении, когда значение показателя степени восстановления r становится больше единицы, его использование как характеристики степени магнетизации теряет смысл, так как наряду с магнетитом появляется слабомагнитный продукт - вюстит, а затем ферромагнитный продукт - металлическое железо.

При нагреве бурых железняков происходит удаление влаги:

Fe₂O₃⋅nH₂O=Fe₂O₃+nH₂O;

при нагреве сидеритовой руды - диссоциация сидерита:

3FeCO₃=Fe₃O₄+2CO₂+СО.

Гематит восстанавливается до магнетита:

3Fe₂O₃+СО=2Fe₃O₄+CO₂;

3Fe₂O₃+Н₂=2Fe₃O₄+H₂O.

При безокислительном охлаждении восстановленной до магнетита руды ее рудным минералом после обжига остается магнетит. Возможен вариант восстановительно-окислительного обжига, когда охлаждение обожженного продукта до температуры 400-350°С (в зависимости от типа и состава руды) ведут в бескислородной атмосфере, а дальнейшее охлаждение производят воздухом. В этом случае из магнетита образуется маггемит (γ-Fe₂O₃), обладающий сильными магнитными свойствами. Такой вариант применяют для обжига окисленных кварцитов. Окисление магнетита до маггемита происходит по реакции:

2Fe₃O₄+0,5О₂=3γ⋅Fe₂O₃.

Процесс восстановления зерна рудного минерала с целью получения магнетита в определенных условиях может происходить зонально; одновременно с восстановлением гематита до магнетита может идти восстановление магнетита до вюстита, а затем вюстита до металлического железа.

Процесс восстановления железа из оксидов протекает ступенчато путем перехода от высших оксидов к низшим и в конечном счете до металла через все устойчивые в данных условиях состояния:

Fe₂O₃→Fe₃O₄→Fe (при температуре ниже 570°С);

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe (при температуре выше 570°С).

Зависимость числа стадий протекания реакций восстановления оксидов железа от температуры объясняется термодинамической неустойчивостью FeO при температурах, меньших 570°С. При таких температурах протекает реакция разложения FeO:

4FeO=Fe₃O₄+Fe.

Магнетит переходит в железо по реакциям:

Fe₃O₄+4СО=3Fe+4CO₂;

Fe₃O₄+4Н₂=3Fe+4H₂O.

Восстановление с повышением температуры выше 570°С идет по реакциям:

Fe₃O₄+СО=3FeO+CO₂;

Fe₃O₄+Н₂=3FeO+H₂O.

Эти реакции приводят к потере магнитных свойств и называются переобжигом. Парамагнитный монооксид железа и вюстит переходят в железо:

FeO+СО=Fe+CO₂;

FeO+Н₂=Fe+H₂O.

Восстановление оксидов железа углеродом начинается при температуре выше температуры начала реакции газификации углерода (CO₂+С=2СО-166,3 МДж) и состоит из 2 стадий

FeO+СО=Fe+CO₂;

CO₂+С=2СО.

Суммарная реакция имеет вид:

FeO+С=Fe+СО.

Чем выше температура, тем выше скорость прямого восстановления руды углеродом. Легко газифицируемый бурый уголь благодаря выделяющимся при нагреве газообразным восстановителям, восстанавливает гематит при температуре 450-500°С.

Промышленное значение имеет процесс восстановления руды метаном природного газа. При температуре ниже 900°С восстановителями являются продукты неполного сгорания метана СО и Н₂. Состав продуктов горения зависит от коэффициента расхода воздуха, содержания в нем влаги и может быть рассчитан по реакции горения СН₄.

Оптимальными для намагничивающего обжига являются термодинамические и кинетические условия, обеспечивающие наибольшее содержание железа в сильномагнитной форме при минимальных расходах топлива и затратах на обжиг.

При температуре восстановления ниже 570°С слабомагнитный FeO не образуется при любых отношениях CO₂/СО и H₂O/Н₂. При температуре выше 570°С для предотвращения образования FeO отношения CO₂/СО и H₂O/Н₂ по мере повышения температуры должны увеличиваться.

Степень возможного переобжига руды при температуре выше 570°С зависит от скорости восстановления и времени ее обработки. В общем случае скорость процесса восстановления (и) зависит от величины эффективной реакционной поверхности твердого материала и избыточной по отношению к равновесному значению концентрации реагирующего газа:

υ=k⋅g⋅S_эфф⋅(CO-CO_p)=k⋅g⋅S_эфф⋅(СO_2р-CO₂),

где k - константа скорости процесса, см/с;

g - масса твердого вещества, г;

S_эфф - сумма наружной и доступной внутренней поверхности, принимающих участие в процессе восстановления, см²/г;

СО, СО₂, СО_р, CO_2p - текущие и равновесные содержания компонентов в газовой смеси, д. ед.

Условиям уменьшения переобжига удовлетворяет относительно низкая температура обжига и небольшое содержание восстановителя (СО, Н₂) в газовой фазе. Для ограничения образования FeO необходима относительно высокая (более 1 м/с) скорость газового потока, небольшая крупность материала (менее 5 мм), температура восстановителя для водорода и монооксида углерода ниже 800°С, концентрация СО, Н₂ - 10%, для метана температура ниже 900°С. В этих условиях ограничение образования FeO достигается сокращением продолжительности обжига путем использования агрегатов с интенсивным теплообменом, например, печей кипящего слоя.

Теоретически избежать переобжиг можно ведением процесса при температуре 550-600°. Промышленные исследования, выполненные при обжиге бурых железняков Лисаковского и других месторождений в трубчатой вращающейся печи, показали, что при таких низких температурах даже при пребывании руды в печи от 3 до 7 часов удовлетворительный обжиг руды не достигается. Для большинства руд требуемая температура обжига составляет 750-800°С при содержании СО и Н₂ в зоне восстановления должна составлять 850-950°С. Предельной температурой процесса для большинства руд является температура около 1000°С, выше которой происходит их размягчение и спекание.

Регулирование качества обжига может производиться изменением концентрации восстановителей в газовой фазе или изменением времени пребывания руды в печи. Возможность изменения концентрации восстановителей в полной мере представляется только при использовании природного газа за счет возможности изменения коэффициента расхода воздуха в широких пределах. При использовании для обжига твердого восстановителя или низкокалорийного, например, доменного, газа наиболее эффективным фактором является изменение времени пребывания руды в печи.

Многочисленными экспериментами установлено, что наиболее высокие показатели обогащения обожженных окисленных руд получаются при степени восстановления несколько выше, чем у химически чистого магнетита.

Наиболее приемлемым для практики считают восстановительно-окислительный обжиг руды. В этом варианте наряду с высокими магнитными свойствами маггемита (γ-Fe₂O₃) часть энергии, затраченной на восстановление руды, возвращается при ее окислении до маггемита. Верхний температурный предел устойчивости γ-Fe₂O₃ зависит от химического и минералогического состава руд, режима восстановления и окисления магнетита. Вопрос о применении восстановительного или восстановительно-окислительного обжига в каждом отдельном случае решается опытным путем с последующим выполнением технико-экономического обоснования.

Недостатками существующих способов магнитного обогащения железорудного материала, включающих термическую обработку, являются дороговизна и низкая производительность процесса.

Задачей изобретения являлось увеличение экономической эффективности способа магнитного обогащения железорудного материала, что позволит широко ввести в производство малоиспользуемые слабомагнитные железные руды, характеризующиеся такими преимуществами как дешевизна их добычи и доступность к металлургическому производству.

Техническим результатом изобретения являлось удешевление осуществления способа и повышение его производительности.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе магнитного обогащения железорудного материала, включающем подготовку железорудного материала, дробление и измельчение его до раскрытия рудных зерен, транспортировку железорудного материала на магнитный сепаратор и разделение железорудного материала на магнитную и немагнитную части, согласно изобретению, транспортировку железорудного материала осуществляют через соленоидную катушку, подключенную к регулируемому источнику постоянного тока высокого напряжения.

Предлагаемый способ основан на природе магнетизма. Атомы имеют электрическую структуру: состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. Кроме того, и электроны, и ядра обладают своеобразным внутренним вращением. Их орбитальное и внутреннее движения создают внутриатомные микроскопические электрические токи. Отсюда следует, что каждый электрон и каждое ядро представляют собой атомный магнетик. В силу этого все тела, построенные из атомов, являются источниками магнитного поля или по-другому - магнетиками.

В магнетитах атомные магнетики в пространстве упорядочены, они обладают сильномагнитными свойствами. Однако большинство веществ (полезных ископаемых, например, гематит) не проявляют сильномагнитные свойства. Это обусловлено тем, что в обычных условиях атомные магнетики распределены хаотически, направления их полей не упорядочены и поэтому результирующий эффект всего тела оказывается нулевым или, как в слабомагнитных рудах, малым. И только с помощью внешних воздействий, например, магнитного поля соленоидной катушки, по которой течет достаточно сильный постоянный электрический ток, можно упорядочив поля атомных магнетиков, повысить магнитные свойства слабомагнитного тела [Вонсовский С.В. Магнетизм. - М.: Наука, 1971. - 1032 с.].

Целесообразно источник постоянного тока высокого напряжения, к которому подключена соленоидная катушка, выполнить регулируемым в связи с различием магнитных свойств железорудных материалов.

Способ магнитного обогащения железорудного материала осуществляют следующим образом.

После подготовки железорудного материала осуществляют дробление и измельчение его до раскрытия рудных зерен. Затем измельченный железорудный материал транспортируют на магнитный сепаратор для разделения железорудного материала на магнитную и немагнитную части, при этом транспорт железорудного материала осуществляют через соленоидную катушку, которая подключена к регулируемому источнику постоянного тока высокого напряжения.

Ниже приведен пример осуществления способа магнитного обогащения железорудного материала.

Подготовленную гематитовую руду следующего состава: Fe₂O₃=37,23%; SiO₂=19,43%; Al₂O₃=6,68%; Cr₂O₃=2,42%; NiO=0,83%, дробленную и измельченную до фракции 0-1 мм, пропускали через соленоидную катушку, подключенную к регулируемому источнику постоянного тока высокого напряжения. В результате железорудный материал при прохождении через сепаратор разделялся на два продукта: магнитный (в количестве 53,18%) и немагнитный. При использовании традиционного способа магнитный продукт получался в количестве 30,6%.

Применение предлагаемого способа магнитного обогащения железорудного материала позволило удешевить способ за счет замены топлива (газ, твердое топливо) на магнитное поле и повысить производительность способа с 75 тонн в сутки до 1200 тонн в сутки (на 1600%) за счет прохождения железорудного материала через соленоидную катушку.

Изобретение относится к магнитному обогащению железосодержащих руд и может быть использовано при обработке руд перед обогащением и получением сырьевых ресурсов для черной металлургии. Осуществляют подготовку железорудного материала, дробление и измельчение его до раскрытия рудных зерен, транспортировку железорудного материала на магнитный сепаратор и разделение железорудного материала на магнитную и немагнитную части. При этом транспортировку железорудного материала осуществляют через соленоидную катушку, подключенную к регулируемому источнику постоянного тока высокого напряжения. Изобретение направлено на повышение магнитных свойств железорудных материалов, что позволит широко ввести в производство малоиспользуемые слабомагнитные железные руды. 1 пр.

Способ магнитного обогащения железорудного материала, включающий подготовку железорудного материала, дробление и измельчение его до раскрытия рудных зерен, транспортировку железорудного материала на магнитный сепаратор и разделение железорудного материала на магнитную и немагнитную части, отличающийся тем, что транспортировку железорудного материала осуществляют через соленоидную катушку, подключенную к регулируемому источнику постоянного тока высокого напряжения.