Обогащение железных руд

1 Обогащение железных руд

 

Обогащением руды называется операция, увеличивающая содержание железа или  снижающая содержание вредных примесей в руде. Обогащение позволяет существенно  повысить содержание железа в шихте  доменных печей, улучшить условия восстановления железа, уменьшить выход шлака, улучшая, тем самым ход печи и снижая расход кокса при возрастающей производительности. Установлено, что в средних условиях плавки повышение содержания железа в шихте на 1% позволяет увеличить производительность печи на 2–2,5% при снижении удельного расхода кокса на 2–2,5%.

Получаемые на обогатительных фабриках концентраты содержат до 65–68% Fe и более.

Для разделения используют различия свойств рудного минерала и пустой породы: цвет, блеск, твердость, плотность, смачиваемость, оптические, электрические, магнитные и другие характеристики.

Существуют следующие методы обогащения: рудоотборка, промывка, гравитационное, флотационное, магнитная сепарация.

Продуктами обогащения являются: концентрат – материал, содержащий полезного  минерала больше, чем его было в  исходной руде; хвосты – материал, состоящий  в основном из пустой породы и содержащий небольшое количество полезного  минерала. В сложных схемах обогащения получают продукт, занимающий по содержанию полезного элемента промежуточное  положение между концентратом и  хвостами – промпродукт, который  подвергают дополнительному обогащению.

Эффективность процесса обогащения характеризуется  комплексом показателей.

1. Содержание полезного элемента в руде (α), концентрате (β) и хвостах (υ). Чем выше содержание элемента в концентрате и ниже в хвостах, тем лучше качественные показатели обогащения.

2. Выход концентрата γ (%, доли), или соотношение масс концентрата (М_К) и руды, пошедшей на его получение (М_р). Выход концентрата показывает, какое его количество получается из 1 т руды.

 

.

 

Выход концентрата можно также  выразить через содержание полезного  элемента в руде и продуктах обогащения. Для этого используют баланс металла

 

Ме_рα = Ме_кβ + (Ме_р – Ме_к)∙υ.

 

После преобразований получаем

 

.

 

3. Степень сокращения показывает, во сколько раз уменьшается количество концентрата по сравнению с количеством пошедшей на его получение руды, т.е. сколько требуется переработать тонн руды для получения 1 т концентрата

 

.

 

4. Степень обогащения, или соотношение содержаний элемента в концентрате и исходной руде

 

.

 

5. Степень извлечения полезного элемента в концентрат (ε) показывает, какая его часть, содержащаяся в руде, перешла в концентрат

 

.

 

Степень извлечения железа при обогащении железных руд в зависимости от метода обогащения и конструкции  аппарата может изменяться от 60 до 95%.

Обогащение железных руд с каждым годом получает все большее развитие. Это объясняется неуклонным снижением  содержания железа в добываемой руде и неоспоримой экономической  целесообразностью переработки  в доменных печах и в печах  для металлизации руд с высоким  содержанием железа.

 Методы обогащения.

1 Рудоотборка. Основана на различной плотности и цветах минерала и пустой породы. Выполняется вручную.

2 Обогащение промывкой основано на том, что глинистая и песчаная пустая порода размывается водой и уносится ею, в то время как на рудный минерал вода не действует. Поэтому такому обогащению подвергаются бурые железняки, сидериты, марганцевые руды, известняки. Промывка является наиболее простым и дешевым, но и малоэффективным методом обогащения – содержание металла в концентрате по сравнению с исходной рудой повышается всего на 2–6%.

Корытная мойка (рисунок 1.1) представляет собой желоб длиной 8 м, диаметром 2,5 м. Внутри помещены вращающиеся валы-шнеки. Желоб имеет наклон 5-10°. В нижнюю часть желоба непрерывно подается вода. За счет вращения лопастей более легкие глинистые и песчаные составляющие уходят в слив, а более тяжелые частички концентрата выносятся на выдачу с противоположного конца. Производительность 50-100 т/ч концентрата. Расход воды 2-6 м³/т исходной руды.

1 – загрузка материала; 2 – подача  воды; 3 – выдача рудного концентрата;    4 – слив; 5 – вращающиеся валы-шнеки

Рисунок 1.1 – Способ корытной мойки

1 – опорные ролики; 2 – загрузочный желоб; 3 – перебрасывающие лопатки; 4 – привод (зубчатое колесо и приводная шестерня); 5 – выдача концентрата; 6 – подача воды.

Рисунок 1.2 – Промывочный барабан скруббер

Наиболее простым агрегатом  для промывки являются бутара и скруббер, представляющие собой вращающийся барабан из перфорированного (бутара) или сплошного (скруббер) листового железа, через который пропускается смесь воды с рудой. При пересыпании руды глинистая порода растворяется в воде и уносится. Возможно сочетание сплошного и сетчатого барабанов, дающее бутару-скруббер. Диаметр таких устройств достигает 1300, длина – 5000 мм, а производительность – 500 т/ч. Основной недостаток скрубберов и особенно бутар – высокий расход воды, достигающий 2–10 м³/т материала.

3 Гравитационные методы обогащения являются более эффективными. Они основаны на том, что рудный минерал железных и марганцевых руд имеет большую плотность, чем порода. При обогащении руд черных металлов из гравитационных методов наиболее широко применяются отсадка и разделение в тяжелых суспензиях и на винтовых сепараторах.

Широкое распространение получил  метод гравитационного обогащения называемый отсадкой. При отсадке  осуществляется разделение зерен материалов разной плотности в восходящем или  пульсирующем потоке воды, который  создается различными способами. Расслоение происходит из-за различной скорости оседания в воде частиц рудного минерала и пустой породы – богатые железом и более тяжелы частицы скапливаются внизу, пустая порода - сверху.

Пульсирующие поток воды создается  двумя способами: возвратно-поступательным движением сита с материалом в жидкости (рисунок 1.3, а) и поперечным перемещением жидкости через неподвижное сито с материалом (рисунок 1.3, б).

  а     б

1 – ёмкость с водой; 2 – решето; 3 – обогащаемая руда; 4 – эксцентриковый  вал

Рисунок 1.3 – Промывка в отсадочных машинах с неподвижным

 и подвижным решетом

Камера такой отсадочной машины с подвижным решетом (рисунок 1.3, а) представляет собой ящик с жидкостью, в котором подвешен короб с решетом, соединенный с эксцентриковым валом. При возвратно-поступательном движении короба уровень воды в нем поднимается и опускается. Вместе с водой движутся зерна руды и происходит разделение на концентрат и хвосты. Машина может состоять из 3–4 камер, через которые руда проходит последовательно. Размер решета составляет 1250х1250 мм, скорость движения 100–250 ходов решета в минуту Производительность наиболее крупных машин может достигать 30 т/ч, но обычно гораздо меньше.

Наиболее распространенным типом  отсадочных машин для обогащения железных руд является диафрагмовая машина с неподвижным решетом. Удаление с сита верхнего слоя хвостов происходит через сливной порог аппарата потоком воды. Удаление концентрата  происходит частично через отверстия  сита вниз, частично через специальное  отверстие в боковой стенке камеры. Обогащению подвергаются руды крупностью 3-35 мм.

Серьезными недостатками отсадки  являются невозможность переработки  мелких материалов (тонковкрапленных руд), что не позволяет получать концентраты  с высоким содержание железа, а  также недостаточная производительность машин, сложность их эксплуатации. Кроме  того, отсадка требует одинакового по крупности, материала, поскольку скорость осаждения зерна в жидкости увеличивается с ростом его размера.

Гораздо большее значение имеет  способ разделения в тяжелых суспензиях. Принцип этого способа заключается в том, что раздробленная до необходимой крупности руда помещается в суспензию – жидкость, плотность которой имеет промежуточное значение между плотность рудного минерала и пустой породы. В такой жидкости более легкая пустая порода всплывает, а рудный минерал тонет. Сепарация в этом случае не зависит от крупности кусочков руды. Суспензия представляет собой взвесь тонкоизмельченного материала (ферросилиций или магнетит) в воде.

1 – место подачи тяжелой суспензии; 2 – спирали; 3 – барабан; 4 – желоб  для подачи руды; 5 – место разгрузки  легкой фракции; 6 – разгрузка  концентрата (черпаковый элеватор)

Рисунок 1.4 – Барабанный сепаратор для гравитационного обогащения руд

Основными агрегатами для такого обогащения являются барабанный и конусный сепараторы. Барабанный сепаратор (рисунок 1.4) представляет собой цилиндрический вращающийся барабан 3, внутри которого наварены спирали 2.

В барабан через желоб 4 подается обогащаемая руда, а по желобу 1 –  суспензия. В суспензии руда разделяется  – отходы сливаются через порог 5, а концентрат с помощью спиралей и черпакового элеватора 6 удаляется  из барабана. Максимальная длина таких  барабанов достигает 6 м, а диаметр – 3 м, скорость вращения составляет 3–6 об/мин, производительность – 250 т/ч.

Обогащение в тяжелых суспензиях обладает рядом недостатков:

– большие потери утяжелителя (FeSi), составляющие 0,4-0,5 кг/т руды;

– нестабильность суспензии, из-за чего приходится принимать меры для ее перемешивания;

– практическая невозможность обогащения руды крупностью менее 3 мм.

4 Обогащение методом флотации основано на различии в поверхностных свойствах, в частности способности смачиваться жидкостью зерен рудных минералов и частиц пустой породы.

Минералы, хорошо смачивающиеся водой, называются гидрофильными, плохо смачивающиеся  – гидрофобными. Если небольшое  количество жидкости (воды) поместить  на поверхность твердой фазы, то на гидрофильной поверхности жидкость растекается, а на гидрофобной собирается в виде капли сферической формы (рисунок 1.5, а). Характер взаимодействия гидрофильных и гидрофобных тел с водой и газом внешне выглядит по-иному, если твердое тело и небольшой объем газа поместить в жидкость (рисунок 1.5, б).

Рисунок 1.5 – Схема взаимодействия гидрофильных (1) и гидрофобных (2) материалов с водой (3) и воздухом (4)

 

Вода легко замещает на твердой  гидрофильной поверхности газовый  пузырек; на гидрофобной поверхности, наоборот, газовый пузырек закреплен  значительно прочнее. Количественно  мера смачиваемости может характеризоваться  величиной краевого угла θ – угла, образованного плоской поверхностью твердой фазы и плоскостью, касательной  к поверхности жидкости на границе  существования всех трех фаз. К гидрофильным принято относить такие материалы, для которых θ <90°; для гидрофобных  материалов θ > 90°. Способность тел  смачиваться водой определяется в первую очередь природой материала  или точнее – типом кристаллической  решетки минерала. Принципиально  процесс флотации разделение хорошо и плохо смачиваемых жидкостью  частиц – осуществляется следующим  образом. В емкость с водой, через  которую непрерывно пропускают мелкие пузырьки воздуха, загружают дробленую  руду. Во время осаждения частички руды сталкиваются с поднимающимися пузырьками воздуха. В соответствии с характером взаимодействия фаз  воздушные пузырьки «прилипают»  к гидрофобным частичкам и  поднимают их на поверхность жидкости. Частички же, хорошо смачиваемые водой, не взаимодействуют с пузырьками воздуха и осаждаются на дно бака-сепаратора.

С целью усиления различия смачиваемости  отдельных минера лов и для  улучшения других условий процесса обогащение флотацией производят не в чистой воде, а в воде со специальными веществами-реагентами

Флотационная механическая машина (рисунок 1.6) представляет собой камеру 1 объемом 2 м³. При вращении импеллера 2 происходит интенсивное перемешивание в жидкости минеральных частичек и пузырьков воздуха; кроме того, в зоне вращения мешалки создается разрежение, под действием которого в машину засасываются воздух З и пульпа 4. Разделение минералов руды происходит в средней части камеры, где гидрофобные частички соединяются с пузырьками воздуха и поднимаются вверх. Минерализованная пена вращающимися лопастями 5 перебрасывается через сливную перегородку в желоб. Осевшие частички удаляются из машины через отверстие в стенке камеры 6.

 

Рисунок 1.6 – Схема флотационной машины с механическим перемешиванием пульпы

 

5 Для обогащения железных руд, главным образом, применяется магнитное обогащение (магнитная сепарация), которое позволяет получить наиболее высокие технико-экономические показатели.

Магнитное обогащение состоит в  разделении минеральных зерен руды по их магнитной восприимчивости. Раздробленая руда вводится в магнитное поле, в котором зерна магнитного минерала притягиваются к полюсам магнита  и, преодолевая постоянно действующие  силы (силы гравитации, центробежные, сопротивление  водной среды и др.), перемещаются в одном направлении, в то время  как немагнитные зерна под  действием этих сил движутся в  другом направлении. На зерно минерала, помещенное в магнитном поле, действует  магнитная сила

 

,

 

где F_мar – сила магнитного притяжения, кгс/кг; μ₀ – магнитная постоянная, 1,26·10^–6 Гн/м; χ – удельная магнитная восприимчивость, м³/кг; Н – напряженность магнитного поля, А/м.

Следовательно, эта сила определяется магнитной восприимчивостью минерала и напряженностью магнитного поля.

Магнитной сепарацией в основном обогащают  руды с сильномагнитными свойствами, в состав которых входят минералы магнетит и маггемит.

Для других минералов необходимо создавать  магнитное поле с высокой напряженностью, что технически трудно достигается. Поэтому в зависимости от минералогического  состава обогащаемой руды применяют  сепараторы с разной напряженностью магнитного поля. Сильномагнитные руды обогащают на сепараторах со слабым магнитным полем напряженностью (32–95)∙10³ А/м, слабомагнитные – с магнитным полем напряженностью (143–1270)∙10³ А/м. Магнитное поле создается электромагнитами, напряженность его регулируется силой тока. В сепараторах со слабым магнитным полем могут применяться и постоянные магниты.