Определяющее значение на эффективность доменной плавки оказывают шлаковый режим и качество шихтовых материалов. Подбор химического и минералогического составов компонентов доменной шихты, а также соотношения агломератов и окатышей, позволяет управлять свойствами шлакового расплава. Оптимизация основности и содержания магнезии в шлаке является одним из ключевых факторов повышения эффективности доменной плавки.
В качестве источников магнезии в агломерационном производстве используют различные материалы на основе магнезита, серпентина, оливина, доломита, дунита и других, включаемых в состав шихты для производства агломерата и окатышей. Химический и минеральный состав, а также свойства и транспортная доступность влияют на выбор магнезиального материала. При производстве железорудного агломерата АО «Уральская Сталь» в качестве магнезиального материала используются сидеритовые руды Бакальского месторождения с содержанием железа 30-32% и оксида магния 10-12%. Отрицательно влияет на качество агломерата и показатели процесса агломерации нестабильность химического состава данных сидеритовых руд и большое содержание крупных фракций размером более 10 миллиметров.
Халиловское месторождение расположено на территории Орско-Халиловского рудного района, что находится в непосредственной близости от АО «Уральская Сталь». Халиловское месторождение серпентинитомагнезитов с содержанием оксида магния до 40%. В данной статье проведен анализ влияния на качество агломерата и показатели процесса агломерации магнезиального флюса с различным содержанием магнезита. В качестве цели исследования выступает возможность использования для производства агломерата на АО «Уральская Сталь» магнезиального флюса из серпентинитомагнезитов Халилоского месторождения.
Халиловское месторождение относят к группе ультраосновных горных пород – ультрабазитов, подгруппа дунит-перидотит-пироксен. Серпентинитомагнезит является продуктом гидротермального изменения ультраосновных пород. Серпентин является основным рудообразующим минералом серпентинитомагнезита, доля которого в руде составляет 55-90%, сопутствующими являются карбонаты – магнезит и доломит, при этом их доля в руде составляет 5-40% и 10-14% соответственно.
Широкое распространение магнезиальные добавки (серпентин, дунит, пироксенит и другие) получили в зарубежной практике. Их использование заметно улучшает технико-экономические показатели и процесса агломерации, и доменной плавки.
Высоким содержанием магнезии отличается серпентинитомагнезит Халиловского месторождения, а также большей чистотой содержания вредных примесей и меньшими потерями при прокаливании в сравнение с сидеритом Бакальского месторождения. При этом высокое содержание кремнезема в серпентинитомагнезита приводит к снижению железа в агломерате.
Также большое значение имеет минералогический состав, потому что он определяет поведение материала при процессах агломерации в высотемпературных условиях, а именно это позволяет подобрать параметры спекания.
Серпентинитомагнезит в высокотемпературных условиях процесса агломерации показал, что происходит разрушение структуры серпентина с образованием аморфных масс магния и кремния, которые в процессе спекания могут способствовать образования сложных силикатов – оливинов и пироксенов, в структуре агломерата. А также происходит образование форстерита с выделением тепла при нагреве серпентинитомагнезита до температур 800 ºС.
Разработка Халиловского месторождения ведется открытым способом АО «Литосфера». Получаемый за счет использования дробильного, сортировочного и обогатительного оборудования магнезиальный флюс имеет различные соотношения серпентина и магнезита, крупностью от 0-3 мм. На месторождении действует многостадийная технология обогащения серпентиномагнезита, позволяющая выделять на разных стадиях процесса обработки магнезиальные флюсы с содержанием магнезита: 10, 30, 50, 70 %.
В лаборатории АО «Уральская Сталь» были проведены исследования эффективности использования магнезиальных флюсов Халиловского месторождения при производстве агломерата. Лаборатория оборудована барабанным окомкователем (длина 1,2 м, диаметр 0,6 м.) и агломерационной установкой (высота слоя до 375 мм; диаметр 210 мм; разрежение до 10 кПа). Были проведены сравнительные спекания Бакальского сидерита и магнезиальных флюсов Халиловского месторождения.
При проведении исследования за сравнительный период были приняты шихтовые условия работы АО «Уральская Сталь» за май-август 2012-2016 года. При производстве агломерата использовались концентрат и аглоруда Михайловского ГОКа, известняк Аккермановского месторождения, сидерита Бакальского месторождения, косксовая мелочь и известь АО «Уральская Сталь».
Содержание магнезии в агломерате в базовом периоде обеспечивалось за счет расходования Бакальского сидерита, в опытных периодах за счет флюсов Халиловского месторождения с различным содержанием магнезита. Корректировка расхода известняка позволяла поддерживать основность на заданном уровне.
Из состава опытной шихты с целью снижения влияния неконтролируемых факторов на результаты экспериментов были исключены материалы с нестабильным гранулометрическим и (или) химическим составом: колошниковая пыль, мелочь брикетов, металлоконцентрат, окалина и шлам. В качестве отсева окатышей и агломерата использовали возврат, получаемый в пробном спекании. С целью снижения влияния нестабильности гранулометрического состава компонентов на результаты окомкования при подготовке шихты производили отсев крупных фракций руд и возврата (более 10 мм), коксика, известняка и магнезиального флюса (более 3 мм). При постоянном режиме увлажнения производили смешивание и окомкование аглошихты в течение 5 минут со скоростью вращения 12 об/мин. В ходе выполнения экспериментов по гранулометрическому составу окомкованной шихты оценивали эффективность окомкования, по производительности и качеству агломерата оценивали результаты спекания. На идентичность условий проведенных экспериментов указывают результаты влажности и гранулометрического состава шихты, высоты спекаемого слоя и выход годного из спека. Показатели агломерационного процесса с использованием магнезиальных флюсов превосходят показатели при применении сидерита Бакальского месторождения. Данный вывод построен на основе сравнения усредненных результатов экспериментов с использованием магнезиальных флюсов при относительно постоянных условиях проведения опытов.
По сравнению с сидеритом Бакальского месторождения, более высокие показатели прочности и выхода годного агломерата обеспечивает применение в качестве магнезиальной добавки флюсов Халиловского месторождения, тем самым увеличивает производительность по годному агломерату.
Разубоживание агломерата по железу является недостатком исходного серпентиномагнетита. По мере повышения содержания магнезита в Халиловском флюсе разубоживание агломерата по железу снижается. По сравнению с сидеритом Бакальского месторождения, сопоставимое содержание железа обеспечивается при использовании Халиловского магнезиального флюса с содержанием магнезита 30-50%.
Выявлено влияние магнезиального флюса на результаты агломерационного процесса, подтверждающего закономерности поведения флюса при высокотемпературной обработке:
- обеспечение более благоприятных тепловых условий спекания, подтверждаемое увеличением содержания оксида железа в агломерате при постоянстве расхода топлива;
- минералогические превращения серпентина и магнезита обеспечивают повышение прочности спека.
Рост скорости спекания наблюдается при стабильном гранулометрическом составе аглошихты с повышением содержания магнезита во флюсе и потерь при прокаливании, что объясняется увеличением пористости спекаемого слоя после диссоциации магнезита и дегидратации серпентина.
Сокращение доли фракции 0-5 мм в агломерате после повышения прочности на сбрасывание по ГОСТ 25471-82 (сбрасывание) на 2-4% стало важным результатом проведенных экспериментов с магнезиальными флюсами.
Повышенная сопротивляемость ударным нагрузкам агломерата обусловлена лучшими тепловыми условиями спекания при использовании Халиловского магнезиального флюса. Также объясняется минералогическими превращениями, приводящими к образованию высокопрочных фазовых составляющих агломерата и стабилизации двухкальциевого силиката.
Увеличение выхода годного агломерата в спеканиях с использованием магнезиального флюса до 67 – 69 % по сравнению с вариантом применения Бакальского сидерита, при котором выход годного не превышал 66 % является следствием более благоприятных тепловых и минералообразующих условий формирования аглоспека.
Наиболее существенно выход годного агломерата повышается при использовании магнезиального флюса с содержанием магнезита до 30 %. При дальнейшем увеличение содержания магнезита в составе флюса не происходит заметного положительного влияния.
Существенно повышается выход годного агломерата при использовании магнезиальных флюсов, благодаря более раннему началу, а также более полному протеканию твердофазных реакций с участием силикатов магния, кальция и оксидов железа.
К существенному повышению производительности по годному агломерату приводит использование магнезиальных флюсов Халиловского месторождения. Рост производительности в большей степени прослеживается при повышении содержания магнезита до 50% во флюсе, этому способствует сочетание повышенной скорости спекания и высокий выход годного агломерата. Наиболее важным показателем агломерационного процесса, кроме производительности агломерационной установки, является механическая прочность агломерата, определяющая эффективность доменной плавки.
Экспериментальные данные по использованию магнезиального флюса показали устойчивое повышение барабанной прочности агломерата. С повышением содержания магнезита во флюсе до 30% прослеживается наиболее существенный рост. С точки зрения прочностных свойств агломерата дальнейшее увеличение содержания магнезита не целесообразно. Вывод о причинах существенного улучшения прочности агломератов, полученных с использованием серпентиномагнезита, сделан на основе сравнительного анализа микроструктур агломератов. При проведении рентгеноспектральной микроскопии установлено, что оксид магния практически полностью переходит в состав рудной части (магнетита), заметно изменяется форма кристаллизации силикатной связки рудных зерен.
В микроструктуре агломератов, полученных с использованием Бакальского сидерита, наблюдается разделение силикатной связки на два вида: высокоосновную и низкоосновную. Также в небольших количествах присутствуют ферриты кальция, в основном располагающиеся по краям образцов, являясь носителем прочности агломерата. При этом их количества недостаточно для сдерживания процесса распространения трещин в объеме спека, возникающих в результате разрушающего воздействия полиморфного превращения двухкальциевого силиката.
Микроструктуры агломератов, полученных из серпентиномагнезитов Халиловского месторождения, обладают отличительной особенностью – кристализацией силикатной связки гомогенного состава либо в виде силикатных «озер», объем которых полностью занят дендритами ферритов кальция, либо в виде «продолговатых» форм, по химическому составу приближенных к ранкиниту, но с высоким содержанием железа. Кристаллизация твердых растворов ферроокерманита возможна по границам «продолговатых» форм стеклофазы ранкинитового состава. Развитие процессов ферритообразования при использовании магнийсодержащих материалов кажется сомнительным, ввиду того, что многими исследователями отмечалось, что оксид магния подавляет ферритообразование. Это происходит ввиду того, что расплавообразование в процессе спекания магнезиальных агломератов носит ограниченный характер. Оксид магния при переходе в состав рудной фазы, повышая температуру плавления, не позволяет переходить в расплав оксидам железа. Подобное поведение не выявлено во время проведения исследований с серпентиномагнезитом. Это объясняется тем, что образующийся после дегидратации серпентина, форстерит обладает способностью образовывать с оксидом железа магнетита легкоплавкую эвтектику.
При использовании серпентинитомагнезита Халиловского месторождения происходит улучшение прочностных характеристик агломерата, в связи с образованием «армирующей» ферритной связки, гомогенизации затвердевающего расплава и кристаллизации его в виде стеклофазы ранкинитового состава, на это указывает анализ микроструктуры агломерата.
Процесс минералообразования, при использовании сидерита Бакальского месторождения в качестве магнезиального материала, сдерживается пониженной активностью оксида магния, образующегося при разложении карбоната магния, а также образованием тугоплавких шпинелей типа магномагнетита и магнезиоферрита. Более крупным фракционным составом (0-10 мм.) ограничивается усвоение магнезии сидерита. В связи, с чем магнезия, вносимая с ним в агломерационную шихту, оказывает меньшее влияние на прочность агломерата.
Существенное влияние на расход известняка и содержание железа в агломерате оказывает повышение содержания в составе магнезиальных флюсов доли магнезита. С целью максимизации содержания железа в агломерате целесообразно использование флюса с максимальным содержанием магнезита. Сопоставимое содержание железа обеспечивается, в сравнении с Бакальским сидеритом, при использовании магнезиального флюса Халиловского месторождения с содержанием магнезита 30 – 50 %.
