Магнитное обогащение железной руды и техногенного железосодержащего сырья
|
Введение 15
1 Обзор литературы 18
1.1 Проблемы современной обогатительной промышленности 18
1.2 Сравнение подходов к шлакопереработке в России и странах
Европы и Азии 19
1.3 Сущность магнитного метода обогащения 23
1.3.1 Баланс сил при магнитной сепарации 26
1.3.2 Влияние характеристики руды на сепарацию 27
1.3.3 Классификация магнитных сепараторов 28
1.3.4 Селективность магнитной сепарации 30
2 Объекты и методы исследования 31
2.1 Железная руда Бакчарского железорудного месторождения 31
2.2 Шлаки черной металлургии 33
2.2.1 Классификация шлаков 33
2.2.2 Области применения шлаков металлургии 35
2.2.3 Утилизация шлаков сталеплавильного производства 38
2.2.4 Переработка сталеплавильных (мартеновских, доменных) шлаков и шлакометаллических (шлакостальных) коржей (ШСК)
в ЦШП 42
3 Расчеты и аналитика 47
3.1 Аппаратурное оформление 47
3.1.1 Магнитный сепаратор ЭВС-10/5 47
3.2 Методика исследования 49
3.2.1 Обогащение железной руды Бакчарского месторождения
методом магнитной сепарации 49
3.2.2 Анализ технологии комплексной переработки шлаков 51
3.2.3 Получение и применение У-1,2 и 29ШСК 54
4 Результаты проведенных исследований 55
4.1 Магнитная сепарация железной руды Бакчарского месторождения 55
4.2 Технологические решения, сделанные на основе анализа
действующей схемы переработки шлаков 59
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 62
5.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 62
5.1.1 Введение 62
5.1.2 Потенциальные потребители результатов исследования 63
5.1.3 Анализ конкурентных технических решений 64
5.1.4 Диаграмма Исикавы 65
5.1.5 Оценка готовности проекта к коммерциализации 66
5.1.6 Метод коммерциализации результатов научно-технического
исследования 68
5.2 Планирование научно-исследовательских работ 69
5.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 69
5.2.2 Организационная структура проекта 71
5.2.3 Иерархическая структура работ проекта 72
5.2.4 Определение трудоемкости выполнения работ 73
5.2.5 Разработка графика проведения научного исслед ования 76
5.2.6 Бюджет научно-технического исследов ания (НТИ) 80
5.2.6.1 Расчет материальных затрат НТИ 80
5.2.6.2 Основная заработная плата испол нителей работы 81
5.2.6.3 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 84
5.2.6.4 Накладные расходы 85
5.2.6.5 Формирование бюджета затрат научно-иссл едовательского
проекта 85
5.2.6.6 Определение ресурсной (ресурсо сберегающей), финан совой,
бюджетной, социальной и экономической эффекти вности
исследования 85
6 Социальная ответственность 88
6.1 Введение 88
6.2 Описание рабочей зоны 89
6.2.1 Электромагнитные поля 89
6.2.2 Вибрации 90
6.2.3 Шумы 91
6.2.4 Вредные вещества 92
6.2.5 Опасные проявления факторов производственной среды 93
6.3 Охрана окружающей среды 95
6.3.1 Защита селитебной зоны 95
6.3.2 Воздействие на атмосферу 95
6.3.3 Воздействие на гидросферу 96
6.3.4 Воздействие на литосферу 96
6.3.5 Обеспечение экологической и трудовой безопасности 97
6.4 Защита в чрезвычайных ситуациях 98
6.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .. 99
6.6 Расчет освещения 101
Заключение 104
Список публикаций студента 106
Список используемых источников 108
Приложение А 115
1 Обзор литературы 18
1.1 Проблемы современной обогатительной промышленности 18
1.2 Сравнение подходов к шлакопереработке в России и странах
Европы и Азии 19
1.3 Сущность магнитного метода обогащения 23
1.3.1 Баланс сил при магнитной сепарации 26
1.3.2 Влияние характеристики руды на сепарацию 27
1.3.3 Классификация магнитных сепараторов 28
1.3.4 Селективность магнитной сепарации 30
2 Объекты и методы исследования 31
2.1 Железная руда Бакчарского железорудного месторождения 31
2.2 Шлаки черной металлургии 33
2.2.1 Классификация шлаков 33
2.2.2 Области применения шлаков металлургии 35
2.2.3 Утилизация шлаков сталеплавильного производства 38
2.2.4 Переработка сталеплавильных (мартеновских, доменных) шлаков и шлакометаллических (шлакостальных) коржей (ШСК)
в ЦШП 42
3 Расчеты и аналитика 47
3.1 Аппаратурное оформление 47
3.1.1 Магнитный сепаратор ЭВС-10/5 47
3.2 Методика исследования 49
3.2.1 Обогащение железной руды Бакчарского месторождения
методом магнитной сепарации 49
3.2.2 Анализ технологии комплексной переработки шлаков 51
3.2.3 Получение и применение У-1,2 и 29ШСК 54
4 Результаты проведенных исследований 55
4.1 Магнитная сепарация железной руды Бакчарского месторождения 55
4.2 Технологические решения, сделанные на основе анализа
действующей схемы переработки шлаков 59
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 62
5.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 62
5.1.1 Введение 62
5.1.2 Потенциальные потребители результатов исследования 63
5.1.3 Анализ конкурентных технических решений 64
5.1.4 Диаграмма Исикавы 65
5.1.5 Оценка готовности проекта к коммерциализации 66
5.1.6 Метод коммерциализации результатов научно-технического
исследования 68
5.2 Планирование научно-исследовательских работ 69
5.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 69
5.2.2 Организационная структура проекта 71
5.2.3 Иерархическая структура работ проекта 72
5.2.4 Определение трудоемкости выполнения работ 73
5.2.5 Разработка графика проведения научного исслед ования 76
5.2.6 Бюджет научно-технического исследов ания (НТИ) 80
5.2.6.1 Расчет материальных затрат НТИ 80
5.2.6.2 Основная заработная плата испол нителей работы 81
5.2.6.3 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 84
5.2.6.4 Накладные расходы 85
5.2.6.5 Формирование бюджета затрат научно-иссл едовательского
проекта 85
5.2.6.6 Определение ресурсной (ресурсо сберегающей), финан совой,
бюджетной, социальной и экономической эффекти вности
исследования 85
6 Социальная ответственность 88
6.1 Введение 88
6.2 Описание рабочей зоны 89
6.2.1 Электромагнитные поля 89
6.2.2 Вибрации 90
6.2.3 Шумы 91
6.2.4 Вредные вещества 92
6.2.5 Опасные проявления факторов производственной среды 93
6.3 Охрана окружающей среды 95
6.3.1 Защита селитебной зоны 95
6.3.2 Воздействие на атмосферу 95
6.3.3 Воздействие на гидросферу 96
6.3.4 Воздействие на литосферу 96
6.3.5 Обеспечение экологической и трудовой безопасности 97
6.4 Защита в чрезвычайных ситуациях 98
6.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .. 99
6.6 Расчет освещения 101
Заключение 104
Список публикаций студента 106
Список используемых источников 108
Приложение А 115
Сегодняшнее время характеризуется огромными объемами добычи и переработки полезных ископаемых. Это связано, конечно, с не менее значительным потреблением продуктов обогащения, пригодных для любой области промышленности, т.к. при добыче сырья процент готовых к немедленному потреблению материалов очень невелик. Эта проблема и привела к появлению важнейшей отрасли тяжелой индустрии - обогащению полезных ископаемых.
Обогащение полезных ископаемых - это совокупность процессов переработки твердого минерального сырья с целью получения продуктов, пригодных для технически возможной и экономически целесообразной переработки (использования) [1].
Так, например, плавка чугуна в доменных печах протекает при прочих равных условиях тем быстрее, чем больше удельная поверхность
рудных минералов, больше газопроницаемость их слоя, меньше содержание в них низших оксидов железа, меньше влажность и количество включений, меньше колебания свойств внутри сорта [3, 4]. Основным видом
металлургического сырья является концентрат, состоящий из природных минералов, в которых содержание металла достаточно велико, чтобы при современном уровне развития техники оказалось возможным и экономически целесообразным проводить его извлечение [5]. Обогащение - важнейшее промежуточное звено между добычей полезных ископаемых и использованием извлекаемых веществ, в основе которого лежат анализ свойств минералов и их взаимодействия в процессах разделения [1].
Наиболее распространенными являются методы флотационного и магнитного обогащения, т.к. они зачастую универсальны, а иногда являются единственными способами разделения руд (так, например, только с помощью флотации можно получить раздельные концентраты из комплексных сульфидных руд).
С увеличением потребительских запросов промышленности появилась стойкая необходимость в разработке бедных месторождений, потому что богатые либо труднообрабатываемы, либо уже исчерпаны или близки к этому. В этом вопросе Российская Федерация, как страна с огромными запасами полезных ископаемых, остро нуждается в
модернизации процессов переработки руд для удовлетворения своих широкомасштабных внутренних целей (таких как снабжение металлами промышленной и военной отрасли, получение высокоочищенных ископаемых твердых топлив для ТЭС и пр.) [6].
В нашей стране помимо хорошо разработанных месторождений (в частности, Курской магнитной аномалии) встречаются также и ранее неизвестные проявления богатых залежей - ярким примером этого служит случайное открытие в 1960-х годах Бакчарского железорудного
месторождения, которое согласно официальной информации [7]: «является крупней шим проявлением железной руды в России и мире, однако руд ные горизонты и вышележащие толщи сильно обводнены, поэтому планы разработки месторождения появились только в начале XXI века». Согласно тому же источнику разведанные запасы железной руды оцениваются в 28,7 млрд. тонн, а прогнозные запасы в 110 млрд. т. Эти показатели в два раза превышают известные запасы в стране. В 2009 году мировая добыча железной руды по данным U.S. Geological Survey составила 2,3 млрд тонн (рост на 3,6 % по сравнению с 2008 годом), из которых на долю РФ приходится только 4,4% (согласно данным World Iron Producing Countries, 2010).
Кроме природного железосодержащего сырья в промышленный оборот все чаще включается сырье техногенное. Наиболее перспективным источником металла являют металлургические шлаки, которые в России накапливались на протяжении трехсот лет (с начала освоения черной металлургии). Магнитная переработка этих шлаков позволяется существенно снизить расход природного сырья, что ведет к сбережению природных территорий. Кроме этого, переработка шлаков освобождает зашлакованные ранее площади вблизи заводов и комбинатов.
Самым привлекательным фактором использования шлаков в качестве сырья для получения железосодержащих продуктов является их технологическая «готовность». Единственной зачастую необходимой процедурой перед процессом магнитного обогащения является дробление и грохочение шлаков. Эта стадия настолько эффективна, что в некоторых странах (например, Германии) измельченные шлаки становятся пригодными для использования сразу после стадии дробления.
Из этого краткого обзора можно сделать вывод, что и рост добычи природного сырья, и накопление техногенных материалов прямо указывает на необходимость совершенствования технологии переработки. Ее принципы неизменны, однако модернизация технологических схем благотворно влияет на экономику в сфере черной металлургии, сокращая затраты на разработку новых месторождений и способствуя восстановления природных территорий.
Обогащение полезных ископаемых - это совокупность процессов переработки твердого минерального сырья с целью получения продуктов, пригодных для технически возможной и экономически целесообразной переработки (использования) [1].
Так, например, плавка чугуна в доменных печах протекает при прочих равных условиях тем быстрее, чем больше удельная поверхность
рудных минералов, больше газопроницаемость их слоя, меньше содержание в них низших оксидов железа, меньше влажность и количество включений, меньше колебания свойств внутри сорта [3, 4]. Основным видом
металлургического сырья является концентрат, состоящий из природных минералов, в которых содержание металла достаточно велико, чтобы при современном уровне развития техники оказалось возможным и экономически целесообразным проводить его извлечение [5]. Обогащение - важнейшее промежуточное звено между добычей полезных ископаемых и использованием извлекаемых веществ, в основе которого лежат анализ свойств минералов и их взаимодействия в процессах разделения [1].
Наиболее распространенными являются методы флотационного и магнитного обогащения, т.к. они зачастую универсальны, а иногда являются единственными способами разделения руд (так, например, только с помощью флотации можно получить раздельные концентраты из комплексных сульфидных руд).
С увеличением потребительских запросов промышленности появилась стойкая необходимость в разработке бедных месторождений, потому что богатые либо труднообрабатываемы, либо уже исчерпаны или близки к этому. В этом вопросе Российская Федерация, как страна с огромными запасами полезных ископаемых, остро нуждается в
модернизации процессов переработки руд для удовлетворения своих широкомасштабных внутренних целей (таких как снабжение металлами промышленной и военной отрасли, получение высокоочищенных ископаемых твердых топлив для ТЭС и пр.) [6].
В нашей стране помимо хорошо разработанных месторождений (в частности, Курской магнитной аномалии) встречаются также и ранее неизвестные проявления богатых залежей - ярким примером этого служит случайное открытие в 1960-х годах Бакчарского железорудного
месторождения, которое согласно официальной информации [7]: «является крупней шим проявлением железной руды в России и мире, однако руд ные горизонты и вышележащие толщи сильно обводнены, поэтому планы разработки месторождения появились только в начале XXI века». Согласно тому же источнику разведанные запасы железной руды оцениваются в 28,7 млрд. тонн, а прогнозные запасы в 110 млрд. т. Эти показатели в два раза превышают известные запасы в стране. В 2009 году мировая добыча железной руды по данным U.S. Geological Survey составила 2,3 млрд тонн (рост на 3,6 % по сравнению с 2008 годом), из которых на долю РФ приходится только 4,4% (согласно данным World Iron Producing Countries, 2010).
Кроме природного железосодержащего сырья в промышленный оборот все чаще включается сырье техногенное. Наиболее перспективным источником металла являют металлургические шлаки, которые в России накапливались на протяжении трехсот лет (с начала освоения черной металлургии). Магнитная переработка этих шлаков позволяется существенно снизить расход природного сырья, что ведет к сбережению природных территорий. Кроме этого, переработка шлаков освобождает зашлакованные ранее площади вблизи заводов и комбинатов.
Самым привлекательным фактором использования шлаков в качестве сырья для получения железосодержащих продуктов является их технологическая «готовность». Единственной зачастую необходимой процедурой перед процессом магнитного обогащения является дробление и грохочение шлаков. Эта стадия настолько эффективна, что в некоторых странах (например, Германии) измельченные шлаки становятся пригодными для использования сразу после стадии дробления.
Из этого краткого обзора можно сделать вывод, что и рост добычи природного сырья, и накопление техногенных материалов прямо указывает на необходимость совершенствования технологии переработки. Ее принципы неизменны, однако модернизация технологических схем благотворно влияет на экономику в сфере черной металлургии, сокращая затраты на разработку новых месторождений и способствуя восстановления природных территорий.
С помощью оптического анализа установлено, что железоносные частицы руды представляют собой оолиты - сфероидальные образования с гладкой поверхностью.
Изучено влияние силы тока в обмотке магнитного сепаратора на выход железного концентрата. Установлено, что при росте интенсивности магнитного поля значительно возрастает массовый выход концентрата (вплоть до 72,8%), однако основным показателем для металлургической переработки является содержание в нем общего железа. Проведенный химический анализ показал значительное уменьшение концентрации железа в навеске, полученной при 5А, что вызвано чрезмерным захватом диамагнитных частиц (кварца и сопутствующих оксидов). Максимальное содержание железа в концентрате (49,8%) достигается при 7А в обмотке сепаратора, однако целесообразно ограничить силу тока 6А во избежание излишних энергозатрат. Концентрация железа при этом практически не изменяется (49,7%), однако степени извлечения железа при 6А и 7А различаются достаточно сильно - 68,7% и 78,6%, соответственно. Таким образом, при 6А выше потери железной руды в хвостах обогащения, однако объемы залежей позволяют не ставить проблему этих потерь слишком остро (по крайней мере, в начале разработки месторождения).
Для приближения к характеристикам рядовых железорудных концентратов была проведена двухстадийная доочистка исходной руды при силе тока 4А, позволившая достичь содержания железа 49,2%. Таким образом, максимальная разница в содержании общего железа между фракцией природной руды и концентратом составила 3,6%, что ожидаемо при сухой магнитной сепарации без процесса рудоразборки после первичного обогащения. Также, учитывая сложный характер зависимости выхода концентрата от силы тока в обмотке, следует устанавливать наиболее приемлемые параметры ведения процесса. Так, при значении силы тока 4А
содержание железа в концентрате достигает 48,8%, а при 6А - 49,9%, что позволяет выбрать одно из них в качестве рабочего (особенно на фоне падения степени извлечения железа при 5А).
Для более эффективного магнитного разделения возможно применение мокрой магнитной сепарации и как независимого процесса, и непосредственно после сухого обогащения. На отечественных фабриках мокрая магнитная сепарация производится на барабанных сепараторах с полупротивоточными ваннами (исключая первую стадию, где при крупности -2 +0 мм используются прямоточные или противоточные ванны) [56].
Также в ходе работы был проведен анализ технологии комплексной переработки мартеновских шлаков на примере Цеха шлакопереработки ООО «Технологии рециклинга» (г. Новокузнецк Кемеровской области). В процессе анализа было установлено, что действующая технологическая схема работы цеха имеет два существенных недостатка: отсутствие стадии дробления негабарита (+300 мм) и магнитная сепарация фракции слишком широкого размерного диапазона (0-300 мм). Кроме этого, существующий алгоритм работы установок не предполагает их долгой остановки на капитальный ремонт, что провоцирует преждевременное наступление аварийного состояния. Ввиду вышеперечисленных недостатков была предложена новая доработанная схема переработки мартеновских шлаков. Это схема предполагает стадию дробления негабарита на Бойном участке цеха и учитывает особенности проведения магнитной сепарации: на каждый конечный продукт приходится одна стадия магнитного обогащения с учетом гранулометрического состава железосодержащего продукта. Поэтому перед каждым железоотделителем предполагается установка барабанного грохота.
Предлагаемая технологическая схема связана с серьезной модернизацией участка переработки шлаков, однако повышение содержания общего железа в концентратах с 35 до 45% масс. способно окупить финансовые затраты в течение двух-трех лет.
Изучено влияние силы тока в обмотке магнитного сепаратора на выход железного концентрата. Установлено, что при росте интенсивности магнитного поля значительно возрастает массовый выход концентрата (вплоть до 72,8%), однако основным показателем для металлургической переработки является содержание в нем общего железа. Проведенный химический анализ показал значительное уменьшение концентрации железа в навеске, полученной при 5А, что вызвано чрезмерным захватом диамагнитных частиц (кварца и сопутствующих оксидов). Максимальное содержание железа в концентрате (49,8%) достигается при 7А в обмотке сепаратора, однако целесообразно ограничить силу тока 6А во избежание излишних энергозатрат. Концентрация железа при этом практически не изменяется (49,7%), однако степени извлечения железа при 6А и 7А различаются достаточно сильно - 68,7% и 78,6%, соответственно. Таким образом, при 6А выше потери железной руды в хвостах обогащения, однако объемы залежей позволяют не ставить проблему этих потерь слишком остро (по крайней мере, в начале разработки месторождения).
Для приближения к характеристикам рядовых железорудных концентратов была проведена двухстадийная доочистка исходной руды при силе тока 4А, позволившая достичь содержания железа 49,2%. Таким образом, максимальная разница в содержании общего железа между фракцией природной руды и концентратом составила 3,6%, что ожидаемо при сухой магнитной сепарации без процесса рудоразборки после первичного обогащения. Также, учитывая сложный характер зависимости выхода концентрата от силы тока в обмотке, следует устанавливать наиболее приемлемые параметры ведения процесса. Так, при значении силы тока 4А
содержание железа в концентрате достигает 48,8%, а при 6А - 49,9%, что позволяет выбрать одно из них в качестве рабочего (особенно на фоне падения степени извлечения железа при 5А).
Для более эффективного магнитного разделения возможно применение мокрой магнитной сепарации и как независимого процесса, и непосредственно после сухого обогащения. На отечественных фабриках мокрая магнитная сепарация производится на барабанных сепараторах с полупротивоточными ваннами (исключая первую стадию, где при крупности -2 +0 мм используются прямоточные или противоточные ванны) [56].
Также в ходе работы был проведен анализ технологии комплексной переработки мартеновских шлаков на примере Цеха шлакопереработки ООО «Технологии рециклинга» (г. Новокузнецк Кемеровской области). В процессе анализа было установлено, что действующая технологическая схема работы цеха имеет два существенных недостатка: отсутствие стадии дробления негабарита (+300 мм) и магнитная сепарация фракции слишком широкого размерного диапазона (0-300 мм). Кроме этого, существующий алгоритм работы установок не предполагает их долгой остановки на капитальный ремонт, что провоцирует преждевременное наступление аварийного состояния. Ввиду вышеперечисленных недостатков была предложена новая доработанная схема переработки мартеновских шлаков. Это схема предполагает стадию дробления негабарита на Бойном участке цеха и учитывает особенности проведения магнитной сепарации: на каждый конечный продукт приходится одна стадия магнитного обогащения с учетом гранулометрического состава железосодержащего продукта. Поэтому перед каждым железоотделителем предполагается установка барабанного грохота.
Предлагаемая технологическая схема связана с серьезной модернизацией участка переработки шлаков, однако повышение содержания общего железа в концентратах с 35 до 45% масс. способно окупить финансовые затраты в течение двух-трех лет.