Грануляция шихты свинцовых руд
|
Тонкие флотационные концентраты — основное сырье свинцовых заводов — поступают с обогатительных фабрик обычно без подсушивания. Влажные концентраты и другие мелкие материалы при транспортировке и хранении комкуются, а в зимних условиях смерзаются. При металлургической переработке такие материалы налипают на транспортеры и питатели, плохо смешиваются, налипают в бункерах, а смерзшиеся плохо измельчаются. Сухие концентраты и другие очень мелкие материалы также нередко слеживаются и зависают в бункерах, при транспортировке пылят. Теплопроводность и газопроницаемость слоя сухого мелкого материала, находящегося в печи, малы, а вынос пыли с газами при переработке таких материалов достигает наибольшей величины. Многие из этих недостатков можно устранить укрупнением пылеватых материалов грануляцией. Грануляция представляет собой технологический процесс укрупнения тонких зерен увлажненных материалов окатыванием их в барабанах или в чашах до крупности получаемых: гранул 1—6 мм в диаметре, а иногда и более (20—30 мм). Это явление частичной грануляции уже давно было замечено при обработке влажной шихты в смесительных барабанах и в трубчатых транспортерах. Ho только за последние годы грануляция как самостоятельный технологический процесс получает широкое развитие в черной и цветной металлургии. В 1935 г. И.П. Семик предложил гранулировать железные руды и медно-никелевые сульфидные концентраты для плавки в доменных, мартеновских и шахтных печах и разработал технологию этого процесса. Только в 1951 г. были пущены в США и в Швеции первые опытно-промышленные установки для грануляции железных руд. В 1957 г. в Швеции работало 7 промышленных установок для грануляции железных концентратов. В цветной металлургии методы грануляции внедряются в качестве подготовительной операции перед обжигом сульфидных концентратов и применяются на отдельных стадиях производства свинца, цинка, никеля и других металлов. Технология получения гранул требуемых размеров и прочности разработана удовлетворительно, но теоретическая сущность и механизм этого процесса изучены недостаточно. По мнению некоторых исследователей (М. Тигершельд, П.А. Ильмони), решающую роль в образовании гранул играет капиллярное давление, проявляющееся между отдельными зернами материала. А.М. Парфенов пришел к заключению, что грануляция происходит в результате действия капиллярных сил, вызываемых поверхностным натяжением воды. Прочность связывания частиц увлажненной руды капиллярными силами возрастает с уменьшением диаметра зерен руды. Действие увлажнения проявляется в большей степени при достижении полной капиллярной влагоемкости руды. Другие авторы считают, что для образования прочной связи между зернами необходимо преодоление энергетического барьера, например газовой адсорбционной оболочки. К образованию гранул приводят только такие столкновения, при которых частицы обладают кинетической энергией, достаточной для преодоления этого барьера, а потеря газовой адсорбционной оболочки должна облегчить сцепление частиц. В подтверждение этого опытами было доказано, что подогрев материала и десорбция газа вакуумированием ускоряют процесс грануляции. Одновременно с налипанием частиц гранулы уплотняются вследствие механических ударов при перекатывании в грануляторе. И.П. Семик предложил следующее объяснение механизма грануляции. Грануляция равномерно увлажненной шихты не дает высокого выхода гранул, а переувлажнение отдельных участков улучшает процесс. Переувлажненные участки в виде комьев «грязи» являются центрами грануляции. Окатываясь в грануляторе в массе более сухой шихты, налипающей на них, эти участки постепенно вырастают, приобретая правильную форму шара и равномерную влажность. Когда вся избыточная влага исходного комка израсходуется на увлажнение более сухой шихты, прилипшей к нему, гранула перестает расти и получается равномерно увлажненной и плотно утрамбованной. Чем сильнее переувлажнение отдельных участков шихты, тем крупнее получаются отдельные гранулы. Такой механизм грануляции подтверждается данными практики. При подаче через брызгала некоторого количества воды непосредственно в гранулятор процесс формирования гранул ускоряется. Грануляция требует правильного состава шихты и тщательной ее подготовки. Влажность материалов шихты оказывает решающее влияние на скорость процесса грануляции, размер получаемых гранул и их механическую прочность. Оптимальная влажность зависит: а) от крупности частиц: чем мельче зерна, тем больше должно быть увлажнение; б) от шероховатости и пористости частиц, с увеличением которых требуется больше влаги; в) от гидрофильности: очень гигроскопические вещества, у которых твердое имеет сильную связь с водой, требуют, больше влаги. Такие вещества, как глина и известь, повышают влагоемкость гранулированных материалов. Материалы, отличающиеся гидрофобностью, в том числе некоторые флотационные концентраты и колошниковая пыль, требуют длительного выдерживания в смоченном состоянии для активации их способности к слипанию. Установлено, что оптимальным увлажнением для грануляции является такое, при котором получается минимальная насыпная масса материала, что, как известно, отвечает максимальной газопроницаемости при обжиге. Оптимальное количество влаги для грануляции и последующего обжига гранул — одна и та же величина. Отсюда оптимальное увлажнение материалов для грануляции может быть определено опытным путем по насыпной массе. При недостаточной влажности гранулы образуются медленно и они получаются мелкими, непрочными при испытании на раздавливание, хрупкими. При избытке влаги грануляция происходит быстро, но гранулы получаются мягкими и непрочными. При большом избытке влаги, превышаюшем влагоемкость материала, влага накапливается в порах и на поверхности комков, которые совсем не поддаются грануляции. А.Е. Гуриев, И.И. Дзлиев, В.П. Рязанов утверждают в своих исследованиях, что при грануляции требуется строго выдерживать шихту при определенной влажности. В их опытах оптимальная влажность свинцовой шихты составляла 6,2% Н2О и при этом получались гранулы крупностью 3—8 мм. Превышение влажности всего лишь на 0,3—0,5% резко ухудшало результаты, в то время как понижение влажности на ту же величину сравнительно мало сказывалось. Они считают, что лучше шихту немного недоувлажнять, а недостающее количество влаги давать непосредственно в гранулятор. К такому же выводу приходят и многие другие исследователи. Для улучшения процесса грануляции и повышения прочности гранул в шихту обычно вводят те или иные связующие добавки. Некоторые из них повышают прочность сырых гранул, а другие — только после сушки и нагревания. В качестве связующих добавок применяют сульфитцеллюлозный щелок, цинковый купорос, разбавленную серную кислоту, сульфат натрия, глину, известь, гипс, сульфатные свинцовые кеки и некоторые другие. Наиболее эффективны те добавки, которые повышают влагоемкость и гидрофильность гранулируемого материала. В некоторых шихтах такие материалы содержатся в достаточном количестве, тогда никаких специальных связующих добавлять не требуется. Для упрочнения гранул часто применяют сушку, а иногда и обжиг. В некоторых случаях ограничиваются воздушной сушкой, в других применяют сушилки. Быстрое нагревание гранул с высоким содержанием влаги приводит к их разрушению, но при умеренной влажности (6% Н2О) искусственную сушку гранул можно проводить быстро и без нарушения их структуры. При сушке гранул бывает достаточно удалить из них всего 1—1,5% Н2О, после чего они становятся прочными, не слипаются и пригодны для загрузки на паллеты агломерационных машин. Для грануляции шихты на свинцовых заводах применяют грануляторы двух конструкций: 1. Барабанный гранулятор, представляющий собой слегка наклоненную трубу (под углом 2—3,5°), имеет диаметр 2,5—3 м и длину 4,5—5,0 м; гранулируемую шихту загружают через верхний конец барабана, а выгружают полученные гранулы через нижний. 2. Чашевый гранулятор — сильно наклоненная чаша (45—50°) с диаметром до 5 м и бортами по окружности. Окружная скорость диска гранулятора изменяется в пределах 0,5—1,5 м/сек в зависимости от скорости вращения чаши, которая может быть изменена во время работы в пределах 10—20 об/мин. Гранулируемый материал загружают через верхний борт чаши, увлажняют из брызгал, окатывают, а полученные гранулы непрерывно выгружают через нижний борт чаши. И в том, и в другом грануляторе укрупнение происходит в результате слипания влажных частиц при соударениях и окатывания образовавшихся комочков. Чашевый гранулятор выполняет также и функции классификатора: через борт чаши ссыпаются более крупные, сформировавшиеся гранулы, в то время как более мелкие остаются еще на некоторое время в чаше и продолжают укрупняться. Благодаря этому в чашевом грануляторе получаются гранулы, более однородные по крупности. На рис. 17 показан характер движения материалов в барабанном и чашевом грануляторах.  Основной недостаток барабанного гранулятора — выдача неоднородных по размеру гранул, что связано с характером движения материала в барабане. Гранулы по мере движения вдоль барабана увеличиваются в диаметре. Поскольку сила трения пропорциональна весу, наиболее крупные и тяжелые гранулы имеют больше возможностей увеличиться в размере, чем мелкие, что способствует неоднородности величины гранул. Для получения более однородных гранул за барабаном устанавливают грохот, работающий в замкнутом цикле с барабаном; циркуляционная нагрузка при этом достигает значительной величины. На прочность гранул после их подсушки влияют следующие факторы: 1) характер поверхности начальных зерен: острые грани и пластинки дают более прочные гранулы, чем зерна в виде шариков, так как действие межмолекулярных сил распространяется нa большей площади; 2) гранулометрический состав шихты: при разной крупности шихты получаются лучшие результаты; 3) влажность гранулируемого материала; 4) количество и характер добавок, вводимых в шихту в качестве связующего; 5) скорость вращения гранулятора, угол его наклона, степень заполнения и время грануляции. Чем дольше шихта гранулируется, тем крупнее получаемые гранулы, но они менее прочны; 6) повышение температуры и вакуум ускоряют грануляцию; десорбция воздуха на поверхности зерен способствует проявлению межмолекулярных сил; 7) сушка гранул (прокалка), при которой изменяется температура и время процесса. Как видим, грануляция шихты ничем не отличается от любого другого технологического процесса, основные технические показатели определяются качеством гранулируемой шихты и режимом грануляции. Практику грануляции свинцовых шихт рассмотрим на следующих четырех примерах ее успешного применения на заводах: Трейл, Бункер Хилл, Реншер и Усть-Каменогорском. На рис. 18 представлены схемы грануляции, применяемые на зарубежных заводах.  На заводе Трейл, Канада, грануляция шихты осуществляется дважды: перед первым и вторым обжигом. Производится она в барабанах диаметром 2,74 м и длиной 4,88 м, имеющих резиновую антиабразивную футеровку толщиной 19 мм. Уклон барабана 1:24 (может изменяться от 1:36 до 1:12); окружная скорость 68,5 м/мин. Время грануляции 1,5—4 мин. Установлено, что кеки цинкового завода — хорошее связующее, и если их в шихте много, то грануляция идет вполне удовлетворительно без посторонних связующих. В противном случае в качестве связующего добавляют известь или предпочтительнее гипс, которые обладают цементирующими свойствами, способствуют лучшей грануляции и в то же время являются флюсами при плавке агломерата. Весь агломерат после первого обжига дробят до —6,4 мм на гладких валках в замкнутом цикле с грохотом и подвергают второй грануляции в таком же барабане, как и первая. Полученные гранулы подвергают второму (окончательному) обжигу. На заводе Бункер Хилл, США, шихту из штабеля увлажняют в глиномялке размером 1,5х2,7 м производительностью 100 т/ч. Увлажненная шихта поступает в барабанный гранулятор диаметром 2,4 м и длиной 4,57 м, делающий 9 об/мин, уклон 102 мм на длине 4,57 м. Из гранулятора шихта через течку поступает в барабанную сушилку размером 2,1х9,1 м, делающую 11,3 об/мин; уклон сушилки 16 мм на 1 м. При подсушивании удаляется только 1—1,5% влаги. Из сушилки выдаются гранулы с хорошо затвердевшей поверхностью, которые по системе транспортеров передаются в агломерационный цех. Отделение грануляции при производительности от 100 до 108 г/ч обслуживается бригадой из двух человек, которым помогает машинист шихтопогрузочной машины. Работу ведут в 2 смены. На заводе Реншер, Швеция, грануляцию производят в трех последовательно работающих чашевых грануляторах диаметром 4,5 м. Раньше на этом заводе применяли барабанные грануляторы, но впоследствии (с 1956 г.) их заменили чашевыми ввиду более легкого наблюдения за их работой и лучшего регулирования процесса. Наблюдают за работающими грануляторами, расположенными на трех этажах здания, из одного места с помощью телевизоров. Гранула величиной около 20 мм имеет в центре зерно оборотного агломерата (15 мм), на котором окатан тонкий слой пыли (1—2 мм), на нем такой же тонкий слой известняка и на поверхности гранулы слой сульфидного свинцового концентрата (1—2 мм). При обжиге таких гранул на прямолинейной агломерационной машине, даже при работе с просасыванием воздуха, а не с дутьем, образующиеся капли свинца впитываются самой гранулой, вследствие чего получают агломерат с содержанием до 70—72% Pb, избегая заливания свинцом решеток паллет и вакуумных камер. На Усть-Каменогорском заводе гранулируют в чашевом грануляторе золотосодержащие огарки совместно со свинцовыми кеками, которые являются хорошим связующим материалом. Получаются достаточно прочные и однородные гранулы, которые без предварительной сушки пригодны для применения в качестве железного флюса в шихте агломерирующего обжига. Наилучший режим грануляции следующий:  При наличии свинцовых пылей, перерабатываемых в цехе агломерации, целесообразно и пыль гранулировать совместно со свинцовыми кеками и пиритными огарками. Внедрение грануляции на Усть-Каменогорском свинцовом заводе дало большой экономический эффект. Грануляция свинцовой шихты перед агломерирующим обжигом — несомненно прогрессивный метод, повышающий производительность агломерационных машин и улучшающий качество получаемого агломерата. Она постепенно получает все большее и большее развитие. Грануляция найдет применение в первую очередь там, где она наиболее эффективна (при необходимости получать очень богатый по свинцу агломерат, при переработке слишком мелкой шихты и т. п.) и где особенно благоприятны условия ее применения: при переработке больших количеств кеков, которые одновременно являются и хорошим связующим, при сульфатизации пылей, при получении бесфлюсового агломерата для электроплавки свинца после обжига гранул в кипящем слое и т. д. К сожалению, преимущества гранулированной шихты при последующих металлургических переделах еще мало изучены и слабо освещены в литературе. |
