Качество агломератов из гравитационно-магнитного и гематитового концентратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Качество агломератов из гравитационно-магнитного и гематитового концентратов

Нурмаганбетов Ж.О. - д.т.н.,

Акохова Н.В. - старший преподаватель

Кокшетауский университет им. Абая Мырзахметова

Аннотация

В данной статье рассматривается исследование прочностных характеристик полученных агломератов из гравитационно-магнитного и гематитовогоконцентратов. агломерат спекание шихтовый гематитовый

А?датпа

Б?л ма?алада гравитация-магниттік ж?не гематитік конценттардан алын?ан агломераттарды? ?асиеттері зеттелген

Annotation

This article discusses a study of the strength characteristics of the obtained agglomerates of gravity-magnetic and hepatit is more condition.

Анализ металлургических свойств агломератов, полученных из разных шихтовых материалов, позволяет выработать подходы и принципы подбора концентратов для получения заданных характеристик спёков. Основу исследования составило комплексное изучение взаимосвязи широкого круга параметров, характеризующих структурные, физико-механические и технологические свойства спёков. Обработка данных осуществлялось методами корреляционного и регрессивного статистического анализа.

В процессе проведения комплексных исследований были использованы как традиционные методы изучения технологических свойств спёков, так и некоторые новые методики оценки прочностных характеристик и особенностей разрушения спёков.

Оценка прочности и восстановимости спёков проводилась по ГОСТ17495-80,ГОСТ 15137-77 и ГОСТ 19575-84/.

Для анализа использовали куски спёков, обработанные специальным образом для придания им жесткости и контрастности структурных элементов.

Использовались следующие параметры, которые позволяют оценить характеристику спеков: Р₀, -общий и средний периметр; -объемное содержание различных фаз в спёке (твёрдой, пор); ,- средний размер и средняя площадь структурного элемента (твердой фазы, поры); F_i- удельная поверхность границ структурного элемента; f-форм-фактор.

Периметр структурного элемента характеризует протяженность его границ в сечении спека. Удельная поверхность структурного элемента характеризует площадь поверхности границ, отнесенную к объему спека. Средний размер и средняя площадь структурного элемента характеризуют средневзвешенное значение указанного параметра в структуре спека, при этом средняя площадь характеризует площадь в сечении спека.

Форм-фактор характеризует степень отклонения элемента от изометрической формы:

f=4рS_i/P_id_i,

где i- вид элемента структуры аглоспека: твёрдой фазы (т), поры (п).

Наряду с традиционными методами исследования прочности агломерата в работе использованы методы прямой оценки физико-механических характеристик спека, в результате нагружения образцов правильной формы (d 75х50мм) по образующей и по параллельным плоскостям. В первом случае испытание позволяет оценить прочность при расколе (аналог растяжения), во втором - прочность спека на сжатие. В обоих случаях производилась запись диаграммы нагрузка - деформация, определялось усилие разрушения, работа разрушения А_р, А_сж (при расколе, сжатии), модуль упругости Е, величина разрушающего напряжения G_p,G_cж.

Оценка параметров процесса спекания и технологических показателей прочности аглоспека проводилась на установке и по методике Уралмеханобра в соответствии с ГОСТами, принятыми в отрасли.

Высота слоя при этом была постоянна и составляла 350 мм, спекание проводили в аглочаше диаметром 300мм при разрежении под слоем 10-12 кПа.

На 5,8,11,14 и на 17 минуте отбирали отходящий газ для его анализа. Расход коксика изменяли от 6 до 12%.

Термограммы процесса спекания приведены на рисунках 1,2.

Рис. 1. Влияние времени спекания на температуру в слое: 1-5 горизонты

Рис. 2. Изменение температуры по горизонтам слоя: 10, 12, 16, 20 - время спекания, мин

Установлено, что с повышением расхода коксика температура в слое повышается и соответственно увеличивается прочность спеков. При этом восстановимость спеков также повышается. Показатель механической прочности агломерата (ГОСТ15137-77) при расходе коксика- 6% составил 67,3%, а при расходе коксика, равным 12% - 79,9%.

Технологические показатели процесса спекания и качества полученных спеков представлены в таблице 1.

Из таблицы 1 следует, что с увеличением расхода коксика от 6 до 12% повышаются скорость спекания и прочность спеков, но при этом снижается их пористость и восстановимость. Повышение основности шихты от 0 до 1,8 заметно снижает содержание железа в спеке, но мало сказывается на скорости спекания, пористости и восстановимости спеков. Полученные результаты хорошо коррелируются с данными других исследований [4, 15, 16, 18, 21].

Влияние расхода кокса на процесс спекания показано на рисунках 3,4,5. Построенные термограммы зафиксировали изменения температурных условий формирования спека по высоте слоя. Изменение расхода топлива приводит к значительным изменениям показателей процесса спекания. Максимальная скорость спекания отмечена при 12% расходе коксика - 19,2 мм/мин; минимальная (при 6% расходе коксика)-13,6 мм/мин.

Гранулометрический состав продуктов разрушения аглоспека после трехразового сбрасывания на стальную плиту оценивали по массовой доле кусков крупнее 40 мм, 40…5 и 5…0 мм.

В этой серии опытов выход фракции +40 мм изменялся от 8,7 до 20,0%, 40…5 мм - от 54,3 до 62,8%, а выход мелочи достигал 13,3%.

Показатель прочности спеков - выход фракции крупнее 5 мм после испытания в барабане (по ГОСТ15137-77) - это оценка фракции 40-5 мм, которая является основной по массе структурной составляющей спека.

Этот показатель в зависимости от расхода топлива изменяется от 63,0 до 66,7%

Оценка структурных составляющих следующего уровня проводилась при испытании спека крупностью 10-15 мм (ГОСТ 19575-84), так как при проведении этих испытаний разрушаются элементы составляющих спек, «раскрывшихся» или сохранившихся при обработке в барабане. Показатель прочности этой серии изменялся от 6,7 до 14,4%, причем лучший результат относится к спекам, полученным с расходом топлива, равным 12%, а худший -6%.

Фактическая степень восстановления спеков этой серии изменялась от 34,1 до 35,0, т.е. незначительно.

При этом наиболее низкий результат имеет спек, спеченный с минимальным количеством топлива, а лучший- с максимальным расходом топлива.

Высокотемпературное восстановление (?1000⁰С) показало, что лучшее значение восстановления (R_ф) у спеков при максимальном расходе топлива и наоборот.

При анализе химического состава отходящих газов установлено, что наиболее эффективное использование топлива (з=СО₂/СО+СО₂) достигается при минимальном расходе коксика. Максимальное содержание СО в отходящем газе зафиксировано при спекании с минимальным расходом топлива (равным 6%) и оно составило 2,6%, а наименьшее -0,49% для расхода коксика 12%.

Структурные и физико-механические характеристики спеков приведены в таблицах 2 и 3.

Здесь А_р, А_сж, G_р, G_сж- работа разрушения и прочность спеков при расколе и сжатии, Е-модуль упругости.

Анализ диаграмм нагружения показывает, что как при расколе, так и при сжатии наблюдается два вида диаграмм различных по характеру разрушения: диаграммы типа рисунка 6,7 характеризующиеся малой разрушающей деформацией и низким уровнем энергии разрушения; для диаграмм типа рисунка 7, характерны большие уровни деформации, непрерывное разрушение структурных элементов спека в ходе нагружения и, как следствие, большая энергия разрушения. Анализ кинетики трещинообразования (акустограммы рисунков 6,7) подтверждает дискретный характер развития трещин в разных по размеру структурных элементах спеков.

Таблица 1. Показатели качества спеков из ГМК

Таблица 2. Структурные характеристики спеков

Здесь г_п, Р_п, F_п,f_п - доля пор, периметр, средняя площадь, средний размер, удельная поверхность, фактор формы; г_т, P_т, _,, F_т, f_т- соответственно для твердой фазы спека.

Таблица 4. Показатели качества спеков из гематитового концентрата

Рис. 3. Термограмма процесса спекания с коксиком крупностью 5-3 мм

Рис. 4. Термограмма процесса спекания с коксиком крупностью 3-1 мм

Рис. 5. Термограмма процесса спекания с коксиком крупностью 1-0 мм.

Таблица 2. Физико-механические свойства спеков.

Рис. 6.Диаграмма нагружения спека и акустограмма агломерата (сжатие)

Рис. 7. Диаграмма нагружения спека и акустограмма агломерата (раскол)

Анализ физико-химических свойств показывает, что изменение свойств концентрата при термической обработке и после обогащения приводит к изменению структурных характеристик спека и, как следствие, его прочностных свойств. Практически все испытанные способы воздействия на концентрат выразились в увеличении, в той или иной степени, прочности спека. Спек из концентрата МО более прочный и жесткий, чем полученный из ГМК.

Корреляционными анализами установлено, что существуют парные связи между параметрами структуры и физико-механических свойств спека (в скобках приведен коэффициент парной корреляции): прочность на раскол - периметр пор (0,73); прочность на раскол - удельная поверхность пор (0,75); модуль упругости - средняя площадь пор (0,88); модуль упругости - удельная поверхность пор (0,90); напряжение разрушения при сжатии - средний размер пор (0,91); работа разрушения при сжатии - содержание твердой фазы в спеке (0,92); работа разрушения при сжатии - периметр пор (0,78) - удельная поверхность пор (0,81); напряжение разрушения при расколе - средний размер пор (0,88) - периметр твердой фазы (0,83); работа разрушения при расколе - средний размер пор (0,95) - средняя площадь пор (0,94). Следовательно, с высокой степенью надежности очевидна связь прочностных свойств спека с параметрами структуры, сформированной в результате спекания.

В ходе исследования установлено, что если прочность при расколе, когда происходит последовательное разрушение единичных связок твердой фазы, определяется в основном параметрами структуры пор, то при сжатии основную роль играют параметры структуры твердой фазы спека. Можно сделать вывод, что холодная прочность спека во многом определяется его структурой и условиями нагружения. Для оценки связи технологических характеристик спека с параметрами его структуры большую роль играет расход топлива.

Выявлено, что восстановимость зависит от тех же параметров (г_т, P_т, f_т), что и холодная прочность, но противоположным образом, то есть изменения параметров в направлении увеличения холодной прочности приводит к снижению восстановимости.

Следует отметить, что при одинаковом состоянии шихты структура спека, а через нее и основные технологические показатели, во многом определяются параметрами процесса спекания, в частности скоростью спекания, а так же длительностью выдержки при температуре выше точки плавления.

Обнаружено, что массовая доля железа в руде и диоксида кремния по разному влияют на структурные параметры спека. Так, увеличение массовой доли железа в руде приводит к увеличению жесткости спека (Е) и энергии разрушения расколом (Ар). Снижение SiO₂ приводит к образованию более крупноблочной структуры спека, то есть увеличивается, а P_т снижается.

Можно сделать вывод о том, что увеличение массовой доли железа в концентрате обусловливает повышение прочностных характеристик спека.

Условия проведения процесса спекания и оценка технологических показателей были аналогичны таковым при использовании ГМК, таблица 4.

Сравнивая таблицы 1 и 4 можно сделать вывод, что так же как и при спекании ГМК с увеличением расхода коксика повышается скорость спекания и прочность спеков, а их пористость и восстановимость снижаются.

Авторы [16, 17] считают, что процесс разрушения спеков по условиям нагружения может осуществляться в двух режимах:

- “жестком”, когда условия нагружения кусков годного агломерата являются относительно контролируемыми в том смысле, что внешние нагрузки воспринимаются преимущественно запредельными (более 40 мм) классами крупности (фрагментами неразрушенного спека), которые и формируют не только годный агломерат, но и мелочь;

- “мягком”, когда степень деформации кусков спека является неконтролируемой, поскольку образование мелочи происходит преимущественно из кусков годного агломерата, непосредственно воспринимающих внешние нагрузки.

В отмечается, что в условиях работы аглофабрик “жесткий” и “мягкий” режимы разрушения спеков в чистом виде практически невозможно и следует говорить лишь о преимущественном развитии “жесткого” режима на первом этапе разрушения спека и преимущественно “мягком” - на конечном этапе формирования гранулометрического состава агломерата [19].

В нашем случае переход от ГМК к гематитовому концентрату вызывает значительное увеличение фракции +40 мм, что в дальнейшем при измельчении спеков перед магнитной сепарацией, требует дополнительных расходов. Прочность спеков из гематитового концентрата намного больше, чем из ГМК, рисунок 8.

Структурные и физико-механические характеристики спеков из гематитового концентрата приведены в таблице 5.

Таблица 5. Физико-механические свойства спеков

По содержанию железа и других примесей (кремния, алюминия, фосфора) гематитовый и обжигмагнитный концентраты примерно одинаковы. Однако обжиг в окислительной атмосфере приводит к значительному повышению прочности спека.

Рис. 8. Диаграмма нагружения спека из гематитового концентрата (сжатие)

Характерно, что наиболее трудновосстановимым материалом являются спеки, полученные из гематитового концентрата.

Исходя из требований, предъявляемых к агломератам можно считать, что наиболее качественным является агломерат из гематитового концентрата, так как его прочность, а это основной показатель качества агломерата значительно выше, чем у других агломератов.

В случая использования спеков для последующего обогащения (металлизации и магнитной сепарации) все не так однозначно.

Литература

1. Коротич В.И., Баранов В.Т., Худорожков И.П. и др. Микронеоднородность структуры железорудных агломератов. Изв. вузов. Черная металлургия.1968.№8. с. 39-44.

2. Похвиснев А.Н., Шаров С.И., Вегман Е.Ф. и др. Исследование текстуры железорудного агломерата. Сталь. 1969. №10 с. 873-877.

3. Малышева Т.Я., Лядова В.Я. О механизме формирования железорудного агломерата. Изв. Вузов. Черная металлургия.1983. №9. с.19-21.

4. Ефименко Г.Г. Покатилов А.Г., Ефимов С.П. и др. Спекание окомкованных агломерационных шихт с различным гранулометрическим составом. Изв. Вузов. Черная металлургия.1978. №11 с. 17-20.

5. Коршиков Г.В. Структура, текстура и механическая прочность агломерата. Сообщ. 1. Изв. вузов. Черная металлургия. 1985. №7. с. 44-48.

6. Гегузин Я.Е. Почему и как исчезает пустота. М. Наука. 1976. 207 с.

7. Шварц Г.М. Железорудные агломераты. Пер. с англ. Американский институт горных инженеров и металлургов. Кливлендский съезд, отдел геологии минералогии, сентябрь 1929. 53 с.

8. Каплун Л.И., Герасимов Л.К. Влияние количества расплава на механическую прочность агломерата. Изв. Вузов. Черная металлургия. 1989. №2. с. 8-12.

9. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. Избранные труды. М. Наука. 1978. 368 с.

10. Хайнике Г. Трибохимия. Пер. с англ. М.Г. Гольдфельда. М. Мир, 1987. 584 с.

11. Гегузин Я.Е. Физика спекания. М.: Наука, 1967. 360 с.

12. Плаченов Т.Г., Колосенцов С.Д. Порометрия. Л.: Химия. 1988. 176 с.

13. Астон Ф.В., Штарк И., Коссель В. Природа химических сил сродства. Под. ред. и со вступит. Статьей Н.А. Шилова. М., Л.: 1925. 91 с.

14. Бокий Г.Б. Кристаллохимия. М.: Мир, 1971. 400 с.

15. Худорожков И.П. Теоретические основы и исследование зависимости прочности агломерата от структуры. Дисс.докл. Свердловск.: УПИ, 1974. 471 с.

16. Малыгин А.В., Шумаков Н.С. Динамика разрушения аглоспеков при механической обработке. Изв. Вузов. Черная металлургия. 1997. №9. с. 9-12.

17. Хопунов Э.А. Разработка методологических основ исследования селективного разрушения руд и раскрытия минералов. Дисс. Докл. С. Петербург: Механобр 1991, 320 с.

18. Малыгин А.В., Хопунов Э.А., Тарасов В.Б. и др. Формирование гранулометрического состава агломерата при механической обработке спека. Сталь. 1930. №8. с. 6-11.

19. Пузанов В.П., Кобелев В.А. Принципы оптимального формирования технологий окускования металлургического сырья. Сталь. 2000. №11. с. 15-20.

20. Журков С.Н. Дилатонный механизм прочности твердых тел. Физика прочности и пластичности. Л.: Наука, 1986. с. 5-11.

21. Малыгин А.В. Научные основы и практика совершенствования процесса получения железорудного агломерата с высокими потребительскими свойствами: Дисс. Докт. Екатеринбург: УГТУ (УПИ), 1999. 310 с.

Размещено на Allbest.ru