способ пирометаллургического обогащения комплексных железосодержащих материалов

Формула изобретения

1. Способ пирометаллургического обогащения комплексных железосодержащих материалов, включающий смешивание их с углеродистым восстановлением, формирование рудоугольных окатышей, накатывание оболочки, обжиг полученных окатышей, охлаждение, измельчение и магнитную сепарацию, отличающийся тем, что на окатыши накатывают оболочку из оксидного материала с температурой плавления не менее 1,1 температуры плавления наиболее тугоплавкой фазы ядра восстановленных окатышей, обжигают их при температуре 0,65 0,85 температуры плавления железа до его полного восстановления, после чего нагревают до температуры 1,02 температуры плавления восстановленной металлической фазы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что средний диаметр частиц материала оболочки составляет 30 75% от среднего диаметра железосодержащих частиц шихты железосодержащего материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к комплексной переработке труднообогатимых руд, содержащих железо, титан, марганец и другие ценные компоненты, и может быть использовано при прямом получении железа.

Известен способ пирометаллургического обогащения, [1] включающий смешивание сырой руды или некондиционного железорудного концентрата с твердым углеродистым восстановителем и восстановительный обжиг рудоугольных окатышей, при котором происходит укрупнение металлических корольков внутри шлаковой матрицы, и магнитную сепарацию, в результате получают высокометаллизованный продукт, пригодный для использования в сталеплавильных процессах в порошковой металлургии.

Основным недостатком указанного способа является сложность его осуществления. В процессе обжига неизбежно проявляется большое количество жидкой шлаковой фазы, что затрудняет выбор агрегата, в котором возможно ведение процесса, оплавление окатышей в сложный конгломерат создает дополнительные трудности при измельчении для последующей магнитной сепарации.

Известен способ, аналогичный предыдущему [2] который включает смешение шихты, окомкование, восстановленный обжиг и разделение железа и шлака магнитной сепарацией и отличающийся тем, что процесс ведут при более низкой температуре, чем в предыдущем способе, в отсутствие жидкой фазы.

Недостатком способа является более низкое извлечение железа по сравнению с рассмотренным ранее.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ пирометаллургического обогащения железосодержащих материалов путем получения металлизованного продукта из восстановленных окатышей [3] Способ включает смешивание железосодержащего материала с восстановителем, обжиг в слое твердого восстановления при температуре 1100 - 1250^oC до степени восстановления железа 85-100% а затем при температуре 1300-1500^oC до коагуляции металла внутри окатыша, охлаждение окатышей и отделение металлической фазы из двухслойных окатышей, полученных в процессе термообработки, дроблением и магнитной сепарацией.

Однако, данный способ имеет следующие недостатки. Он применим к железорудным материалам, обладающим определенными физико-химическими свойствами (температура плавления шлака, получающегося после восстановительного обжига, близка к 1300-1500^oC, взаимное смачивание металла и шлака близко к абсолютному). Окружение каждого окатыша твердым восстановителем трудно осуществимо в промышленных условиях.

Задачей изобретения является получение металлизованных окатышей со структурой, позволяющей эффективно извлекать железо в высоко металлизованный продукт при последующей магнитной сепарации из любых железорудных материалов, перерабатываемых в настоящее время традиционным доменным переделом (качканарские титаномагнетиты, бакальские сидериты), труднообогатимых ильменитовых и высоко титанистых руд (Кусинское и Медведевское месторождения титаномагнетитов), забалансовых некондиционных материалов (красные шламы) независимо от температуры плавления шлака и смачивания между металлом и шлаком.

Поставленная задача достигается тем, что в способе пирометаллургического обогащения комплексных железосодержащих материалов путем получения металлизованных окатышей, включающем смешивание их с твердым углеродистым восстановителем, формирование рудоугольных окатышей, обжиг окатышей в оболочке, охлаждение, измельчение и магнитную сепарацию, согласно изобретению, на сырые рудоугольные окатыши накатывают оболочку из оксидного материала с температурой плавления не менее 1,1 температуры плавления наиболее тугоплавкой фазы ядра восстановительных окатышей, обжигают их при температуре, равной 0,65-0,85 от температуры плавления железа, до его полного восстановления, а после восстановления нагревают до температуры 1,02 температуры плавления восстановленной металлической фазы. При формировании определенной структуры окатышей диаметр частиц материала оболочки составляет 30-75% от среднего диаметра железорудных частиц шихты.

Сущность предлагаемого способа сводится к следующему. В процессе восстановительного обжига и последующего нагрева до температур, 1,02 T_пл восстановленной металлической фазы возможно получение нескольких видов структуры металлизованных окатышей. Структура, представляющая хаотичное распределение корольков металла в порах шлаковой фазы, образуется на стадии восстановления и сохраняется в окатыше при дальнейшем нагреве до Т_пл восстановленного металла, если соблюдаются условия: Т_пл шлаковой фазы выше Т_пл восстановленного металла, а скорость нагрева не превышает определенной величины. Если скорость нагрева превышает определенный минимум (10^oC/мин), начинает проявляться термокапиллярный эффект, под действием которого корольки восстановленного металла начинают перемещаться в порах твердой шлаковой фазы окатыша, а направление движения расплава определяется углом смачивания жидким металлом шлаковой фазы.

Если угол смачивания 0<90, то движение капель расплава направлено к центру окатыша. Образуется структура, в которой концентрация корольков металла увеличивается к центру и уменьшается в поверхностном слое окатыша. Полного слияния капель металла в один королек не происходит, так как часть капель расплава металла запутывается в порах твердой шлаковой фазы.

Если T_пл шлаковой фазы восстановленного окатыша ниже 1,02 T_пл восстановленной металлической фазы, то при нагреве окатыша до T_пл металла, в зависимости от угла смачивания, времени выдержки, вязкости шлаковой фазы возможно получение окатышей со структурой "орех", представляющей двухслойный окатыш с металлическим ядром внутри жидкоподвижной шлаковой фазы или в связи с расплавлением окатыша произойдет разделение жидких шлака и металла.

Для избежания нарушения технологического процесса из-за расплавления слоя окатышей, на сырые окатыши накатывается оболочка из оксидного металла с температурой плавления не менее 1,1 T_пл наиболее тугоплавкой фазы ядра восстановленных окатышей. Таким образом, возможно сохранение сформированной структуры "орех" в окатыше или формирование структуры, когда внутри оболочки находятся два типа корольков: металлический и шлаковый.

Если угол смачивания 0>90^o, то движение расплава происходит в сторону более высоких температур (от центра окатыша), наблюдается коалесценция расплава внутри и на поверхности окатыша и получается структура типа "слезы", представляющая гамму разновеликих корольков металла на поверхности шлакового скелета окатыша. Часть капель расплава не выходит на поверхность окатыша, так как запутывается в порах поверхностного слоя твердого скелета шлаковой фазы.

Так как в сформированной структуре "слезы" металлические корольки металла на поверхности окатыша слабо связаны со шлаковым скелетом, возможны потери металла и снижение общего выхода металлизированного концентрата. Накатывание оболочки, средний диаметр частиц материала которой меньше среднего диаметра частиц железорудной части шихты, приводит к формированию структуры окатыша, обеспечивающей снижение потерь металла. Размеры образующихся пор при окомковании дисперсных материалов прямо пропорциональны размерам частиц, и наличие оболочки с меньшими размерами пор не позволит просочиться относительно крупным каплям металла через оболочку. Формируется структура окатыша, в которой корольки металла находятся между оболочкой и шлаковым скелетом окатыша. Благодаря вышесказанному при последующем измельчении окатышей происходит высокая степень вскрытия металла, что обеспечивает повышение его извлечения в концентрат в процессе магнитной сепарации.

Кроме того, наличие оболочки препятствует вторичному окислению восстановленного металла, что также позволяет увеличить выход металлизированного концентрата.

Наличие оболочки из материала с меньшими средними размерами частиц по сравнению с размерами частиц шихты окатышей позволяет задержать капли металла на границе раздела шлаковой скелет окашыта-оболочка. Снижение размера частиц материала оболочки менее 30% от размера частиц шихты окатышей требует значительных расходов на измельчение. Превышение среднего размера частиц материала оболочки свыше 75% от среднего размера частиц шихты окатышей приводит к частичному образованию пор, по которым капли металла выходят на наружную поверхность оболочки, что в дальнейшем приводит к потере металла.

Восстановительный обжиг, как начальный этап формирования структуры, не может осуществляться при температуре ниже 0,65 T_пл восстанавливаемого железа, так как значительное повышается время обжига, поскольку реакции восстановления с участием твердого углерода получают полное развитие при температуре выше 900^oC. Проведение восстановительного обжига при температурах выше значения 0,85 T_пл восстанавливаемого железа повышает энергозатраты на процесс, а также приводит к нежелательному процессу восстановления оксидов других элементов, что приводит к снижению качества металлического концентрата, а также к снижению показателя извлечения железа.

После восстановительного обжига окатыши нагревают до температуры 1,02 T_пл восстановленной металлической фазы. Такой нагрев обеспечивает необходимый градиент температур по сечению окатыша. Нагрев ниже 1,02 T_пл металлической фазы не позволит обеспечить необходимый температурный градиент по сечению окатыша и сформировать нужную структуру.

Из анализа патентной и научно-технической литературы известны способы получения двухслойных окатышей.

В известном техническом решении [4] при формировании структуры ядром окатыша является офлюсователь, на который накатывается рудная оболочка, а затем полученные окатыши подвергают упрочняющему окислительному обжигу. Структура таких окатышей обеспечивает их прочность при хранении и транспортировке, обогащения по металлу при этом не происходит.

По известному способу [5] структура двухслойных окисленных окатышей формируется с целью увеличения пористости, что обеспечивает массообменные реакции, в частности, максимальную степень удаления серы.

В отличие от вышеуказанных в заявляемом способе двухслойная структурам окатыша формируется в виде расплавленного металлического ядра и накатанной оболочки, увеличивающей поверхность и сохраняющей форму окатыша. Такая структура достигается за счет температурного режима, восстановительной среды и соотношения крупности материала ядра и оболочки. Таким образом, цель заявляемого технического решения совсем другая за счет увеличения степени металлизации и создания определенной структуры достичь при последующей магнитной сепарации более высокого извлечения металлов в готовый продукт. Полное восстановление железа на первой стадии и последующий нагрев до определенных температур позволяет расширить функциональные возможности способа и распространить его на целый ряд перерабатываемых материалов.

Примеры практической реализации заявляемого способа.

В качестве исходного сырья были взяты различные железосодержащие материалы: Медведевский коллективный железотитановый концентрат (Fe 53,1% TiO₂ 18,0% ), качканарский концентрат (Fe 62,5% TiO₂ - 2,61%), обожженный сидеритовый концентрат (Fe 50,34% MgO 12,53%), отходы глиноземного производства красные шламы (Fe 31,8% Al₂O₃ - 12,8%). В качестве восстановителя в шихту перед окомкованием вводили тощий уголь Краснобродского месторождения, измолотый до крупности 0,1 мм в количестве, необходимом для полного восстановления оксидов железа до металла в конкретном концентрате. Окатыши получали на тарельчатом грануляторе 1 м. Были получены партии сырых окатышей с оболочкой для всех видов железосодержащих материалов.

Экспериментально установлено, что шлаковая фаза, образующаяся при выплавке железа из исследуемых концентратов имеет следующие температуры плавления: кусинский шлак более 1700^oC, Медведевский 1550^oC, качканарский 1380^oC, сидеритовый более 1700^oC, шлак из красных шламов 1380^o C, а угол смачивания шлаковых фаз расплавом железа меньше 90^o для кусинских и медведевских шлаков (шлаки на основе оксида магния).

Принимая во внимание экспериментальные данные, приведенные выше, оболочку на сырые окатыши из медведевского и качканарского концентратов накатывали из измельченных хвостов магнитной сепарации металлизованных окатышей кусинского концентрата. На сырые окатыши из красных шламов накатывали оболочку, полученную из шлама, выплавленного при восстановительно-разделительной плавке сидеритов в печи Таммана и затем измельченного. Толщина оболочки составляла 1,5-2,0 мм.

На сырые окатыши из сидеритовых концентратов накатывали оболочку, полученную из шлама, выплавленного при восстановительно-разделительной плавке сидеритов в печи Таммана. Шлак измельчали до крупности 0,1-0,0 мм и отсевали фракцию 0,063 мм. Эту фракцию накатывали на сырые окатыши из сидеритового концентрата (крупность железорудного материала шихты составляла 0,2-0,0 мм). Толщина оболочки составляла 1 мм.

Обжиг окатышей осуществляли на опытном стенде для моделирования процессов обжига окатышей в полузаводском корпусе Института металлургии УрО РАН. Высота слоя окатышей составляла 100 мм. В зависимости от вида концентрата восстановительный обжиг проводили при температуре 1000-1300^oC с выдержкой 10-20 мин. Температурно-временные параметры восстановительного обжига для конкретных концентратов были определены во время предварительных опытов. Затем окатыши нагревали со скоростью 50-75^oC в минуту до температуры 1570^oC и охлаждали в потоке дымовых газов. Металлизированные окатыши измельчали и подвергали магнитной сепарации с выделением металлической фазы (металлизированный концентрат) и шлаковой (хвосты). Результаты опытов приведены в таблицах 1 и 2.

Из представленных в таблице 1 результатов следует, что выбранные параметры восстановительного обжига позволяют получить окатыши с очень высокой степенью металлизации (95-98%).

Нагрев окатышей в оболочке до температур выше T_пл восстановленного железа позволяет получить для всех концентратов металлизированные окатыши со структурами, пригодными для магнитной сепарации. Извлечение железа в металлизированный концентрат из окатышей разных железосодержащих материалов на 9,9-13,1% выше по сравнению с известным способом (табл. 2).

Результаты магнитной сепарации показывают, что из окатышей по заявляемому способу получаются не только качественные металлизированные концентраты с высоким показателем извлечения железа, но в случае титаномагнетитовых концентратов получаются хвосты с кондиционным содержанием диоксида титана для производства титанового пигмента. Они на 19,2-24,1% богаче диоксидом титана и на 11,5-16,75% беднее железом по сравнению с полученными по известному способу [6] что очень важно с точки зрения их дальнейшей гидрохимической переработки, так как при этом снижаются технологические потоки, увеличивается извлечение TiO₂, уменьшается выход железного купороса, являющегося вредным отходом производства.

Применение предлагаемого способа позволяет вовлечь в эксплуатацию огромные запасы титаномагнетитовых руд, которые неэкономично перерабатывать традиционными методами, организовать их безотходную утилизацию, отказаться от завоза из-за рубежа сырья для пигментной промышленности, расширить рудную базу черной (сидериты) и цветной (красные шламы) металлургии, резко снизить отравление окружающей среды вредными отходами производства.