ШИХТА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АГЛОМЕРАТА Российский патент 2023 года по МПК C22B1/244 

Изобретение относится к черной и цветной металлургии, в частности, при подготовке железорудного сырья, и может быть использовано в производстве агломерата для металлургического передела.

Известна шихта для производства агломерата, включающая железорудный материал, топливо, флюс и связующее, содержащее органические поверхностно-активные вещества. В качестве связующего она содержит сточные воды фабрик-прачечных при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

флюс 5-10 топливо 5-10 сточные воды фабрик-прачечных 5-10 железорудный материал остальное

(см. авт. св. СССР № 1770414,С22В1/244).

Недостатком данной шихты является низкое качество агломерата, вследствие высокого расхода сточных вод фабрик-прачечных. Поступающая влага совместно с влагой железорудного концентрата мокрого обогащения, флюса и топлива приводит к переувлажнению шихты, а это ведет к ухудшению окомкования и, как следствие, к снижению производительности агломерационной машины. Недостаток агломерата приходится компенсировать расходованием сырой руды.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является шихта для производства агломерата, включающая железорудный материал, топливо, флюс и органическое поверхностно-активное вещество, в качестве которого используют «Катамин» при следующих соотношениях ингредиентов, мас. %:

флюс 5-10 топливо 5-10 катамин 0,01-0,03 железорудный материал остальное

(см. патент РФ № 2255125,C22B1/244).

Недостатком такой шихты является пониженный выход годного, низкое качество агломерата, кроме того, высокий расход связующего вещества, из-за относительно высокой крупности частиц данной шихты, вследствие чего в процессе окомкования образуются незаполненные свободные объемы между частицами шихты. Это приводит к уменьшению межмолекулярных сил сцепления. Относительно высокий расход связующего компонента не обеспечивает оптимальной комкуемости шихты. По этим причинам не удается достичь высокого уровня удельной производительности агломерационной установки и качество агломерата.

Технической задачей заявляемого изобретения является увеличение выхода годного агломерата при одновременном повышении его качества, а также снижение расхода связующего.

Поставленная задача решается тем, что в известной шихте для производства агломерата, включающей железорудный материал, известняк, твердое топливо и связующее в виде органического поверхностно-активного вещества, согласно изменению, в качестве связующего вещества содержит водный раствор оксиэтилированного алкилфенола при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

известняк 5-10 твердое топливо 5-10 оксиэтилированный алкилфенол 0,06·10^-5-0,07·10^-5 железорудный материал остальное

Оксиэтилированный алкилфенол - (полиокси-этиленалкилфениловый эфир), техническое название соединений общей формулы RC₆H₄O(CH₂CH₂O)n⋅H, где обычно R-алкил С₇ и выше, n >1. Оксиэтилированный алкилфенол (далее «Неонол АФ₉-6») представляет собой органическое соединение по внешнему виду напоминающее прозрачную маслообразную жидкость от бесцветного до светло-желтого цвета [Лебедев, Н.Н. Теория химических процессов основного органического и нефтехимического синтеза. Н.Н. Лебедев, М.Н. Манаков, В.Ф. Швец М.: Химия, 1984. - 376 с.].

Физико- химические характеристики оксиэтилированного алкилфенола, «Неонол АФ₉-6»:

-плотность при температуре 50 °С, кг/м³ 1046 -температура застывания, °С -17 -температура самовоспламенения, °С 412 -массовая доля воды, % не более 0,5 -массовая доля полиэтиленгликолей, % не более 1,0 -массовая доля основного вещества, % не менее 98 -предельно допустимая концентрация, мг/л 1,5 -температура кипения, °С 84,5 -температура плавления, °С 215 - содержание основного вещества, % 95

Известно применение оксиэтилированных алкилфенолов в нефтедобыче в качестве реагентов для гидрофобизации призабойной зоны пласта с целью увеличения нефтеотдачи; при бурении в качестве стабилизаторов, регуляторов фильтруемости и реологических свойств буровых растворов, ускорителей проходки пород и структурообразователей почв для укрепления стенок скважин; при вторичной добыче нефти связующие добавки уменьшают подвижность закачиваемой в пласт воды, что способствует лучшему вытеснению нефти из пористых пород.

Также алкилфенолы применяют в качестве селективных флокулянтов при добыче, обогащении руд и регенерации ценных полезных ископаемых [Мастобаев, Б.Н. История применения химических реагентов и технологий в трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов: автореферат дис. доктора технических наук / Уфим. гос. нефтяной техн. ун-т. Уфа, 2003. 50 с.; Абрамзон, А.А. Поверхностно-активные вещества: Свойства и применение / А. А. Абрамзон. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия: Ленингр. 1981. 304 с.].

В заявляемой шихте, наряду с вышеперечисленными свойствами, данная добавка проявляет новое техническое свойство – способствует улучшению окомкования шихты, вследствие снижения поверхностного натяжения воды. Концентрируясь на поверхности раздела фаз, алкилфенол способствует усилению связей в системе жидкость- твердое тело. Склеивание отдельных мелких частиц шихты раствором добавки обусловлено своеобразным "клеевым мостом", образующимся из-за наличия между поверхностями частичек адсорбционных связующих пленок. Благодаря высокой поверхностной активности водного раствора оксиэтилированного алкилфенола преодолевается упругое сопротивление водной пленки, между твердыми частицами повышаются силы межмолекулярного взаимодействия, в результате чего возрастают размеры и прочность получаемых гранул, тем самым улучшается комкуемость шихты. Это приводит к повышению газопроницаемости слоя шихты в процессе спекания, повышению качества получаемого продукта, т.е. увеличению производительности процесса окускования железорудного материала.

Известно, что дисперсные системы (в данном случае заявляемая шихта) характеризуются большим избытком поверхностной энергии. На границе раздела фаз жидкость - твердое тело самопроизвольно происходят процессы в направлении уменьшения поверхностной энергии (U), равной произведению поверхностного натяжения (σ) на площадь поверхности (S) [Фролов, Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1988. — 464 с.]. Произведение σ·S стремится к минимальному значению возможному для данной системы. Твердые тела, как правило, уменьшают свою поверхностную энергию за счет снижения поверхностного натяжения, благодаря адсорбции других веществ. В заявляемом изобретении молекулы оксиэтилированного алкилфенола, адсорбируясь на поверхности частиц железорудного материала, способствуют уменьшению дисперсности среды, т.е. коагуляции частиц.

При содержании известняка в агломерационной шихте менее 5% происходит уменьшение пористости агломерата, а также связывание оксида железа FeO в фаялит (2FeO·SiO₂), что ухудшает качество агломерата по восстановимости.

При содержании известняка в агломерационной шихте более 10% происходит поглощение серы оксидами кальция с образованием сульфида кальция CaS, что затрудняет процесс обессеривания, тем самым снижается качество агломерата по содержанию серы.

При использовании твердого топлива в агломерационной шихте менее 5% агломерат получается непропеченным и имеет поэтому повышенные значения истираемости, содержания мелочи 0 – 5 мм, и содержание серы. Удельная производительность становится ниже вследствие уменьшения выхода годного агломерата.

При содержании твердого топлива в агломерационной шихте более 10% агломерат имеет низкую восстановимость вследствие снижения пористости агломерата и образования трудновосстановимых минералов. Повышенные температуры ухудшают удаление серы из агломерата вследствие экзотермичности реакций десульфурации. Агломерат получается с повышенным содержанием серы. Удельная производительность уменьшается вследствие снижения вертикальной скорости спекания из-за избыточного образования жидкой фазы.

В заявляемом соотношении компонентов аглошихты использование «Неонола АФ₉-6» обеспечивает минимальное значение поверхностной энергии. Содержание оксиэтилированного алкилфенола в агломерационной шихте экспериментально установлено в пределах 0,06·10^-5-0,07·10^-5 % по массе. В этих пределах наиболее полно проявляется улучшение окомкования шихты и достигаются наилучшие показатели агломерационного процесса.

Содержание «Неонола АФ₉-6» в агломерационной шихте менее 0,06·10^-5 % нецелесообразно, так как увеличивается свободная поверхностная энергия вследствие увеличения суммарной поверхности шихты. Оптимальная комкуемость шихты не достигается, т.е. часть шихты остается неокомкованной, гранулы получаются мелкими. Газопроницаемость агломерационной шихты ухудшается, что затрудняет поступление воздуха к топливу и ведет к снижению удельной производительности агломашины.

Содержание «Неонола АФ₉-6» в агломерационной шихте более 0,07·10^-5 % также нецелесообразно. В этом случае свободная поверхностная энергия увеличивается вследствие увеличения поверхностного натяжения. Гранулы получаются крупными и не прочными. Образовавшиеся гранулы разрушаются в зоне сушки по ходу проведения процесса агломерации, что снижает газопроницаемость шихты и качество получаемого продукта.

Для обоснования преимущества заявляемой шихты для производства агломерата по сравнению с прототипом были проведены испытания на лабораторных установках кафедры металлургии черных металлов ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова» по методике, разработанной А.Г. Неясовым.

Предварительно подготавливались шихтовые материалы. Подготовка шихты к спеканию из нее агломерата заключается во взвешивании необходимого количества материалов естественной влажности, их смешивании, увлажнении и окомковании.

Материалы взвешивались в строгой последовательности во избежание ошибок и «пропуска» материала в отдельный противень. Кроме того, в отдельную посуду дозировалось 30 г. кокса фракции 2-3 мм, который впоследствии использовался для зажигания шихты.

Далее шихту увлажняли. Для этого предварительно сдозированная вода с растворенной в ней связующей добавкой оксиэтилированного алкилфенола посредством пульверизатора напылялась на поверхность смешанной шихты. Затем увлажнённая шихта окомковывалась. Смешивание и окомкование производили в окомкователе барабанного типа с внутренним диаметром 320 мм и частотой вращения 30 об/мин. Водный раствор «Неонола АФ₉-6» готовили следующим образом: взвешивали необходимое количество чистого оксиэтилированного алкилфенола в исходном состоянии и растворяли его в 1 литре обычной водопроводной воды без временной выдержки до получения необходимой в опыте его концентрации (согласно данным табл. 2), далее раствор тщательно перемешивали для получения однородной концентрации. Водный раствор оксиэтилированного алкилфенола добавляли непосредственно во вращающийся барабан при окомковании с целью достижения максимальной газопроницаемости шихты.

Для обеспечения эффективного процесса окомкования дозировка «Неонола АФ₉-6» в шихту должна составлять 55-68 мг на тонну железорудного материала (в зависимости от влажности). Низкая эффективность применения данного связующего вещества с дозировкой вне указанного диапазона связана с особенностями механизма взаимодействия оксиэтилированных алкилфенолов и железорудных материалов.

На первой стадии каждого опыта оценивали газопроницаемость сырой окомкованной шихты на специализированной установке, которая включала в себя жестяной цилиндр, высотой 310 мм и диаметром 74 мм с сетчатым дном. Под сеткой располагалась вакуум-камера, соединенная через пылеуловитель трубкой с пылесосом, создающим в ней разряжение, благодаря последнему воздух просасывался через слой шихты сверху вниз. Оценка сопротивления шихты проводилась по значению коэффициента a, найденному из уравнения (1):

где a - коэффициент сопротивления шихты;

h - перепад давления в слое;

ω_о - количество воздуха, проходящего через единицу площади;

n = 1 для условий агломерационного процесса (по данным Е.Ф. Вегмана и В.И. Коротича) [Базилевич, С.В. Агломерация / С. В. Базилевич, Е. Ф. Вегман. - Москва: Металлургия, 1967. - 368 с.; Коротич В.И. Основы теории и технологии подготовки сырья к доменной плавке: Учебник для вузов по спец. «Металлургия чер. Металлов». - Москва : Металлургия, 1978. 208 с.].

После проверки газопроницаемости, смешанную и увлажненную шихту из тонких концентратов спекали в агломерационной чаше диаметром 70 мм и высотой 250 мм при разрежении в вакуум-камере 8- 9 кПа. По ходу спекания через равные промежутки времени фиксировали значения основных параметров процесса. После окончания процесса спекания содержимое чаши охлаждали просасываемым воздухом. Полученный спек подвергался дроблению на щековой дробилке с размером щели 15 мм, после чего разделялся на фракции 0-5 мм (возврат) и +5 мм (годный агломерат). Годный агломерат подвергался испытанию на прочность во вращающейся трубе.

Компонентный состав железорудной части агломерационной шихты соответствовал данным таблицы 1.

Испытания показали, что заявленное (концентрации 0,5 и 1 мг/л) содержание «Неонола АФ₉-6» обеспечивает большую удельную производительность, выход годного, получение агломерата повышенного качества (таблица 2).

В условиях прототипа в качестве связующего использовали «Катамин» в количестве 0,02 мас.% при следующем соотношении остальных ингредиентов, мас.%: флюс 7,5; топливо 7,5; железорудный материал - остальное. Флюсом служил известняк Агаповского месторождения, топливом - коксик, полученный из мелочи кокса фракции 40-0 мм.

В условиях заявляемого способа состав шихты был следующим, мас.%: известняк - 7,5; твердое топливо - 7,5; «Неонола АФ₉-6» - 0,065·10^-5; железорудный материал - остальное. Использовали известняк Агаповского месторождения, твердым топливом служил коксик, полученный из мелочи кокса фракции 40-0 мм.

Таким образом, на заявляемой шихте качество агломерата улучшилось, по сравнению с прототипом, удельный расход топлива снизился, увеличился выход годного, снизился выход мелочи. Таким образом, использование заявляемой шихты принесет положительный экономический эффект в промышленном применении за счет увеличения качества получаемого продукта и экономии топлива на процесс.

Таблица 1

Состав железорудного сырья в заявляемой шихте

для производства агломерата (и прототипу) при проведении испытаний

Наименование материала Содержание в составе сырья, % Аглоруда Михайловская 11,4 Местное сырье: Шлам 5,8 Конверторный шлак 0,5 Агломелочь 2,7 Окалина 2,8 Колошниковая пыль 1,3 Всего местного сырья 13,2 Концентрат Соколовско Сарбайское ГПО 39,6 Лебединский 3,3 Михайловский 22,9 Ковдорский 9,5 Всего концентрата 75,4

Таблица 2

Параметры агломерационного процесса

Концентрация «Неонола АФ₉-6», мг/л 0 0,2 0,5 1 5 10 Вертикальная скорость спекания, мм/мин 14,60 15,01 16,62 15,50 15,43 14,27 Выход годного, % 75,83 77,4 89,43 80,85 72,33 71,8 Выход класса + 5 после
испытания, % 74,70 79,2 82,17 82,12 74,83 64,63 Удельная производительность т/м²*час 1,2796 1,3145 1,5091 1,3643 1,2205 1,0945 Коэффициент сопротивления, a 1796,55 1559,6 1272,57 1337,23 1558,48 2010,90

Таблица 3

Основные показатели по производству агломерата

в спекательной чаше на заявляемой шихте и по прототипу

Наименование показателей Прототип Заявляемая шихта 1.Высота слоя, мм 216 216 2.Вертикальная скорость спекания, мм/мин 22,6 16,47 3.Содержание углерода в шихте, % 3,8 6,5 4.Выход годного, % 76,4 89,43 5.Удельная производительность,т/(м²⋅ч) 1,27 1,51 6.Барабан,% удар 55,8 82,15 истираемость 5,9 3,9 7.Выход мелочи 5-0 мм из спека, % 14,2 9,15 9. Основность агломерата 1,35 1,75

Изобретение относится к подготовке железорудного сырья и может быть использовано при производстве агломерата для металлургического передела. Шихта включает железорудный материал, известняк, твердое топливо и связующее в виде органического поверхностно-активного вещества - водного раствора оксиэтилированного алкилфенола. Массовое соотношение ингредиентов в шихте следующее, мас.%: известняк 5-10, твердое топливо 5-10, оксиэтилированный алкилфенол 0,06·10^-5-0,07·10^-5, железорудный материал - остальное. Заявляемое изобретение позволяет получить высококачественный агломерат, увеличить выход годного и сократить расход топлива. 3 табл.

Шихта для производства агломерата, включающая железорудный материал, известняк, твердое топливо и связующее в виде органического поверхностно-активного вещества, отличающаяся тем, что в качестве связующего вещества содержит водный раствор оксиэтилированного алкилфенола при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

известняк 5-10 твердое топливо 5-10 оксиэтилированный алкилфенол 0,06·10^-5-0,07·10^-5 железорудный материал остальное