ПРОЦЕССЫ УПРОЧНЕНИЯ БРИКЕТОВ ИЗ ХРОМОСОДЕРЖАЩЕЙ  ПОРОШКООБРАЗНОЙ РУДЫ

Георгадзе А.Г., Гернер В.И., Никифоров С.А., Плетнев А.Н.

(ООО «СХМ», ООО «ЭКОС», Южно - Уральский гос. университет)

В настоящее время запасы богатых хромовых руд значительно уменьшились, поэтому ферросплавные предприятия получают в основном бедные по основным элементам руды.

Бедные хромосодержащие руды характеризуются низкой прочностью и поэтому поставляются со значительным содержанием мелких и пылевидных частиц. При выплавке феррохрома в рудотермических печах значительная часть пылевидной хромовой руды уносится потоками восходящих газов, снижая тем самым эффективность работы печей и ухудшая экологию окружающей среды.

Для повышения эффективности работы ферросплавных печей необходимо использовать исходную пылевидную руду, после предварительного окомковывания ее в прочные конгломераты с высокой прочностью и тепловой стойкостью (термостойкостью), которые выдерживали бы без разрушения механическое воздействие при транспортировке и высокотемпературное - при  загрузке в плавильные ферросплавные печи.

Анализ показал, что наиболее предпочтительным для окомковывания мелкодисперсной и пылевидной руды является способ брикетирования ее на валковых брикетерах с формированием материала в виде  яйцеобразных брикетов с размерами 20х40х60 мм. Указанные форма и размеры получаемых брикетов обеспечивают хорошее уплотнение смесей в валковом брикетере, удобство для проведения их сушки на конвейере, а также удобство для проведения погрузочно-разгрузочных операций.

 При этом, важным является правильный выбор связующих материалов для улучшения процесса перемешивания исходных компонентов, их прессования и упрочнения, как в сыром исходном состоянии для предотвращения их разрушения при выдачи из формообразующей ячейки на конвейер, так и при сушке на конвейере или в специальных емкостях для сушки.

Брикетированный материал должен обладать достаточно высоким комплексом свойств, в частности для хромосодержащих брикетов:  свойствами высокой механической прочности, гидростойкости и термостойкости.

Во многом получение брикетов с необходимыми высокими свойствами зависит от вида применяемого для брикетирования связующего материала.

В технической литературе приводятся ряд сведений  об использовании для брикетирования различных связующих материалов, которые в разной степени обеспечивают получение брикетов с необходимыми свойствами.

Так, в литературе указывается, что для брикетирования хромосодержащих исходных материалов целесообразно применять каменноугольный или нефтяной пек или органические связующие материалы, которые содержат значительное количество углеродного восстановителя, полезного для эффективного получения феррохрома при выплавке в рудотермических печах.

Проведенные нами лабораторные и промышленные испытания показали, что  указанные связующие материалы на органической основе в полной мере не обеспечивают достижение необходимых свойств брикетам и улучшение работы  плавильных печей.  Установлено, что при загрузке брикетов в печь уже на колошнике происходит интенсивное выгорание органических связующих материалов, разрушение брикетов и унос из печи значительной части мелкодисперсной руды с восходящими потоками газов.

При этом каменноугольный и нефтяной пеки содержат значительное количество фосфора и серы, которые при плавке переходят в феррохром и ухудшают его потребительские свойства.

Применение для брикетирования хромовых руд чистых по содержанию вредных примесей карбамидных и фенольных смол также не обеспечивает необходимых для хромовых брикетов высокой термостойкости.

Анализ показал, что для брикетирования пылевидной хромовой руды наиболее предпочтительным является применение неорганических связующих материалов таких, как силикат - кальциевые водные растворы – цементные связующие материалы и силикат - натриевые водные растворы – жидкое стекло.

Основное преимущество указанных связующих материалов состоит в том, что они придают хромовым брикетам высокую термостойкость и обеспечивают более полное усвоение брикетированной хромовой руды при выплавке феррохрома. Однако получение качественных брикетов с использованием  указанных связующих материалов связано с некоторыми проблемами, особенно при применении для брикетирования жидкого стекла.

Жидкое стекло является коллоидным связующим раствором, содержащим в качестве коллоидной диспергированной фазы диоксид кремния, а в качестве стабилизатора коллоидной фазы – гироксид натрия или калия.

 Связующие свойства жидкого стекла во многом определяются соотношением содержания диоксида кремния к содержанию щелочного соединения. Показателем этого соотношения является силикатный модуль «М», который для натриевого жидкого стекла составляет:

                           М = % SiO₂ • 1,032/ % Na₂O,

где 1,032 есть коэффициент молярного пересчета указанных соединений.

Силикатный модуль является важной характеристикой жидкого стекла для оценки его связующих свойств и выбора оптимальных режимов формирования исходных и служебный свойств получаемых на нем брикетов.

Согласно ГОСТу 13078-91 жидкое стекло поставляется с модулем от 2,0 до 3,2 ед. и плотностью от 1,3 до 1,5 т/м³ .

Исследования показали, что чем меньше модуль жидкого стекла, тем выше прочностные свойства брикетов после тепловой сушки, но тем меньше термостойкость брикетов при высоких температурах. Чем меньше плотность используемого жидкого стекла, тем меньше прочность брикетов и выше их осыпаемость при механическом воздействии.

Для приготовления компонентных смесей в смесителях жидкое стекло является хорошим связующим. Установлено, что водные растворы жидкого стекла с малой плотностью и низким модулем хорошо смешиваются  с пылевидными частицами хромовой руды, обеспечивая высокую однородность материала, необходимую для получения высококачественных брикетов.  Однако брикеты, полученные с использованием низкомодульного жидкого стекла с малой плотностью, ухудшают их прочностные свойства  и снижают термостойкость.

В связи с этим необходимо оптимизировать параметры жидкого стекла применительно к заданным требованиям по прочностным свойствам брикетов.

При формировании брикетов на валковом брикетере необходимо рассматривать следующие основные формообразующие процессы, которые влияют на качество брикетов и экономические затраты на их изготовление. Это затрата времени на длительность перемешивания,  которая связана со скоростью и равномерностью распределения частиц компонентов между собой и связующего между частицами. Энергетические затраты на уплотнение и стойкость к  износу формообразующей оснастки. При этом требуется достижение достаточно высокой прочности после уплотнения брикетов в формообразующей оснастке брикетера  и после их сушки, а также  высокой скорости сушки.

Для ускорения процесса перемешивания компонентных смесей в смесителях важным является условия смачивания рудного материала, особенно мелкодисперсных частиц связующим раствором -  жидким стеклом.

Смачиваемость хромовой руды исследовали двумя методами: по краевому углу смачивания капли жидкого стекла на плотной подложке и методом агрегации мелких порошкообразных частиц погруженной в  объем порошка каплей связующего материала.

В таблице приведены результаты измерений смачиваемости плотных пластинок, спрессованных из хромистой руды Донского месторождения  по краевому углу смачивания при изменении модуля и плотности жидкого стекла и при изменении состояния поверхности подложек.

При этом пластины шлифовали до получения определенной шероховатости, чтобы определить ее влияние  на степень смачивания поверхности твердых кусков руды.

Результаты измерений

	Краевой угол смачивания на подложке  капли                    жидкого стекла, градус
Характеристика подложки	Плотность в кг/м3, при модуле 3 ед.			Модуль жидкого стекла в ед., плотность 1400 кг/м3
	1300	1400	1500	2,5	3,0	3,5
Плотная шлифованная пластина из хромистого железняка, шероховатость, 10 мкм	28	48	68	34	54	72
Плотная пластина с шероховатостью 20 мкм	32	55	72	32	58	88
Плотная пластина с шероховатостью 40 мкм	43	63	78	44	66	90
Пластина с шерохова-тостью 20 мкм,  протер-тая ПАВ (пастой ДС-РАС)	16	36	58	12	35	70
Пластина с шерохова- тостью 20 мкм, протертая щелочью	18	38	66	15	41	67

Как видно в таблице, смачиваемость поверхности кусковой руды сильно зависит от модуля и плотности жикостекольного связующего материала.

Поэтому необходимо использовать жидкое стекло с достаточно малой плотностью, в пределах 1,3 – 1,4 г/см³ и со средними значениями модуля, в пределах 2,6-2,8 ед.

Улучшение смачиваемости компонентной рудной смеси добавками ПАВ или растворов щелочи позволяет ускорить процесс перемешивания и обеспечить равномерность распределения жидкого стекла.

При использовании для перемешивания порошкообразной хромовой руды влияние смачиваемости жидкого стекла на длительность перемешивания смеси еще больше возрастает.  

Исследование, проведенные методом агломерации порошкообразных частиц раствором жидкого стекла, позволили получить зависимости смачивания руды от свойств жидкостекльного связующего материала.

Установлено, что наиболее эффективно смачиваемость порошкообразных частиц хромовой руды протекает при использовании жидкого стекла с модулем в пределах 2,5-2,8 ед. Но при этом смачиваемость руды сильно зависит от плотности жидкого стекла.

Установлено, смачиваемость порошкообразных частиц руды жидким стеклом с модулем 2,5 ед. при   повышении его плотности от 1,25 до 1,35   г/см³ практически мало меняется.

 С увеличением  плотности жидкого стекла более 1,35 г/см³ смачиваемость порошков жидким раствором сильно уменьшается и ее зависимость с уменьшением размеров частиц интенсивно возрастает и  имеет параболический характер.

Исследования показали, что при использовании в качестве связующего материала жидкого стекла при разработке технологии брикетирования порошкообразных сортов хромовой руды необходимо оптимизировать свойства связующего по плотности и силикатному модулю применительно к фракционному составу исходной руды.

Установлено, что прочностные свойства брикетов на жидком стекле также в большой мере зависят от модуля и плотности используемого жидкостекольного связующего материала. При этом добавляется важный параметр влияния – количество используемого жидкого стекла.

Оптимизация состава компонентной смеси на основе хромовой руды позволяет снизить затраты на расход связующего материала и получение более качественных брикетов для выплавки феррохрома на брикетированных материалах.

Оптимальным содержанием жидкого стекла с модулем 2,6 ед. и плотностью 1,35 г/см3 для полного объема порошкообразной руды с фракцией от 0,3 до 0,5 мм является 10%. Количество жидкого стекла можно уменьшать до 8% при добавлении к порошкообразной руде кусковой механически прочной  руды в количестве 40-50%.

На основании проведенных исследований  разработаны оптимальные графики и компьютерные программы оптимизации компонентного состава рудных материалов и свойств жидкого стекла по модулю, плотности и содержанию связующего, использование которых позволяет получать высококачественные и экономически выгодные для производства брикетированные материалы из порошкообразных руд и пылевидных отходов ферросплавного производства. Обращаться: по т/ф (351) 2804613.  ( Центр модернизации литейных и металлургических технологий).