Оптимизация обогащения железных руд для эффективного сталепроизводства

Обогащение железных руд

Железная руда — минерал, используемый после добычи и обработки для производства железа и стали. Основные руды: Fe₂O₃ (гематит, 70 % Fe) и Fe₃O₄ (магнетит, 72 % Fe). Руды обычно сопровождаются бесполезным пустым породным материалом (гаング). Качество руды определяется общим содержанием Fe. Рудники после сухой/мокрой классификации, если содержат > 62 % Fe, называются «естественной рудой» или «рудой прямой загрузки» (DSO) — их можно использовать напрямую. Остальные требуют обогащения и обработки.

Необходимость обогащения

Низкокачественные руды нельзя использовать напрямую — нужно снизить ганг и повысить Fe. Процесс повышения Fe — обогащение железных руд (IOB). Руды из разных месторождений имеют уникальные минералогические особенности и требуют специфических методов обогащения и металлургической обработки. Для эффективного обогащения необходимы эффективные дробление, помол и классификация с подходящими технологиями. Выбор метода зависит от природы ганга и его связи со структурой руды. Применяют мойку, джиггирование, магнитную, гравитационную сепарацию, флотацию и др. в различных комбинациях. Акцент — на разработке экономичной технологической схемы с необходимым дроблением, помолом, ситованием и обогащением. Типичная схема обогатительной фабрики на рис. 1.

Рис. 1 Типичная схема обогатительной фабрики железных руд

Общие методы обработки железных руд

Дробление, помол и ситование

Цель помола и повторного помола — раздробление руды до размера, достаточного для раскрытия и извлечения ценных минералов. Системы дробления, помола и ситования IOB-завода проектируют с учетом требований последующих процессов. Дробление: первичное, вторичное, третичное, четвертичное. Используют щековые, конусные, валковые дробилки. Полуаутогенный и аутогенный помол. Стержневые и шаровые мельницы. Капитальные и операционные затраты на помол высоки — экономика играет большую роль в выборе степени дробления/помола. Другие факторы: ценность концентрации, минералогия, твердость, влажность. Замкнутый цикл помола минимизирует перепомол очень щелочной руды. Чем больше циркуляционная нагрузка, тем меньше перепомол.

Мойка и мокрое очистка (wet scrubbing)

Примитивный, но широко используемый метод для кусковых руд: удаление рассыпчатых и мягких латеритовых материалов, мелких частиц и лимонитовых глинистых частиц, прилегающих к руде. Мокрая очистка полезна для твердых пористых руд с полостями, заполненными глинистым материалом.

Гравитационная сепарация

Применяется, когда железно-содержащие минералы свободны от ганга. Удельный вес железных минералов выше, чем ганга. Эффективность сильно зависит от правильного дробления и классификации для обеспечения нужного размера корма на гравитационное оборудование и удаления ила. Много оборудования на гравитационном принципе:

• Плотностная сепарация (Dense media separation / Heavy media separation): для кусковых руд (3–50 мм). Подвесь молотого феррокремния (-300 mesh) создает плотность раздела 3–3,2 — ганг flotaтирует и отделяется. Подвесь возвращают слабыми магнитными сепараторами (LIMS). Корм должен быть твердым, компактным, с непористым гангом.
• Тяжелосредневой циклон: для мелких руд (0,2–6 мм). Циклон использует центрифугальную и гравитационную силы. Феррокремний -325 mesh в качестве среды.
• Джиггирование: гравитационная концентрация: разделение на легкую, среднюю и тяжелую фракции. Размер 0,5–30 мм.
• Спирали (Spirals): пленочные сепараторы с непрерывным гравитационным ламинарным потоком по наклонной поверхности. Разделение за счет первичного (поток вниз) и вторичного (радиальный) течений. Верхние слои (высокая плотность) уходят от центра, нижние концентрируются к центру. Требуют подачи воды в разных точках для промывки (удаления легкого ганга). Расход воды и распределение регулируются. Точечный контроль минимизирует общий расход воды. Размер корма 0,3–1 мм. Плотность пульпы 25–30 % твердого.
• Столы (Tables): широкое применение в гравитационной обработке. Обычно в схемах очистки и улавливания. Размер корма 0,3–1 мм. Плотность пульпы 25–30 % твердого.
• Многогравитационные концентраторы: на стадии разработки, для мелких и сверхмелких частиц, извлечение ценных компонентов из илов и хвостов.
• Циклоны: несколько типов: гидроциклон, стаб-циклон, тяжелосредневой циклон. Дешевые, простые. Основные части: диаметр циклона, входное сопло, вихревитель, цилиндрическая и конусная части. Правильные геометрические соотношения обеспечивают классификацию. При входе пульпы возникает вращение, центрифугальная сила ускоряет частицы к внешней стенке. Частицы спускаются спирально через цилиндр в конус. Мелкие частицы мигрируют к центру, выходят через вихревитель (перелив) — переливной продукт (мелкие частицы и вода). Тяжелые частицы идут по стенкам конуса, выходят через вершинное отверстие — поддонный продукт. Оба продукта сбрасывают при атмосферном давлении.

Магнитная сепарация

Использует разницу в магнитных свойствах для разделения железной руды от неметаллического ганга. Сухая или мокрая среда (мокрая чаще). Операции: низкой или высокой интенсивности. Низкоинтенсивные (LIMS) — поля 1000–3000 Гс, для магнетита — дешево и эффективно. Высокоинтенсивные — до 20 000 Гс, для слабомагнитных руд (гематит) от неметаллического ганга. Важны также размер частиц и твердое содержимое пульпы.

Обычно три стадии: (1) коббинг (грубое отбракование), (2) очистка/грубая сепарация, (3) финишная. Каждая стадия может использовать несколько барабанов в серии для повышения эффективности. Каждая следующая стадия работает с более мелкими частицами после удаления крупных на предыдущих. Кобберы работают с крупными частицами, отбраковывают значительную часть в хвосты.

Технологии магнитной сепарации:

• Мокрая и сухая низкоинтенсивная (LIMS)
• Высокоградиентная (HGMS)
• Мокрая высокоинтенсивная (WHIMS)
• Рулонные магнитные сепараторы для слабомагнитных руд
• Индукционно-рулонная (IRMS) для сухих руд

Флотационный процесс

Частицы одного минерала или группы префиксально прилипают к пузырькам воздуха в присутствии химического реагента. Достигают реагентами, селективно взаимодействующими с целевым минералом. Ключевые факторы успеха: равномерность размера частиц, совместимость реагента с минералом, водные условия, не мешающие адсорбции реагента на минерал или пузырек.

Сегодня флотация в основном для обогащения концентратов после магнитной сепарации. Как единственный метод — редко.

Химические реагенты трех групп: (1) коллекторы/амины, (2) пенообразователи, (3) антипены. Реагенты добавляют в виде твердого, несмесимой эмульсии, водного раствора. Концентрацию строго контролируют при кондиционировании — излишек замедляет реакцию и снижает эффективность. Факторы кондиционирования: тщательное перемешивание и диспергирование реагентов в пульпе, повторный контакт реагентов со всеми частицами руды, время для развития контактов и получения желаемых реакций.