ТОПЛИВНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ГРАНУЛЫ И СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ И МЕТАЛЛИЗАЦИИ

Изобретение относятся к черной металлургии, к областям получения топливного сырья и металлургического сырья для пирометаллургии.

С истощением запасов богатых железных руд и коксующегося угля все большее внимание уделяется получению топливно-плавильных материалов из более бедного сырья, имеющегося в достаточных количествах (Леонтьев Л.И., Юсфин Ю.С., Малышев Т.Я. и др. Сырьевая и топливная база черной металлургии. - М.: ИКЦ Академкнига, 2007. - 304 с.). С целью получения качественной плавильной моношихты топливно-плавильные материалы окусковывают, производя различные формы компактного сырья в виде формовок, брикетов, гранул, пеллет, окатышей (см., например, Лурье Л.А. Брикетирование в черной и цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1963. - 324 с.; Раввич Б.Л. Брикетирование в черной и цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1975. - 232 с.; Кожевников Ю.Н., Раввич Б.Л. Окускование и основы металлургии. - М.: Металлургия, 1991, - 303 с. и др.).

Ретроспективное ознакомление только с отечественными запатентованными техническими решениями по окускованию бедного топливно-металлургического сырья выявило значительное их количество, например, RU 2095436; RU 2198340; RU 2202633; RU 2317341; RU 2356952 и др.

Особый интерес вызвало изобретение Семячкова Ф.С. (1932 г.) по термобрикетированию руд и бурых углей с одновременным полукоксованием углеродсодержащего материала (SU 29179), получившее развитие в ряде последующих работ других авторов, например, Смольянинов С.И. Комплексное использование торфа в химико-металлургическом процессе на базе бакчарских руд //Сб.: Итоги исследований по химии за 50 лет. - Томск: ТПИ, 1973; Смольянинов С.И., Маслов С.Г. Термобрикетирование торфа. - Томск: ТГУ, 1975; Смольянинов С.И., Архипов B.C., Криницын Г.Г. Испытание торфяных топливно-плавильных материалов в лабораторной доменной печи// Известия ТПИ, 1977. - Т. 214 - С. 19-22; Способ получения брикетированного или гранулированного железококса по патенту SU 164619 и др.

Главной технической идеей этих решений-аналогов является получение качественного металлургического сырья из низкокачественных компактируемых ингредиентов (трудновосстановимой железной руды, торфа, бурого угля).

В случае полукоксования углеродсодержащего материала в составе брикета/гранулы общим недостатком решений-аналогов является привнесение в плавильную шихту вредных примесей, содержащихся в золе полукоксования торфа, бурого угля.

Близким по технической сущности аналогом является также решение по а.с. СССР №252365. Согласно этому решению для целей получения губчатого железа с высокой степенью восстановления окислов железа (до 98%), высококачественной стали или железа в слитках в качестве углеродсодержащего ингредиента брикета/гранулы используют верховой фрезерный торф, имеющий малую зольность и не содержащий в золе плавких металлов и других вредных примесей (например, сера и фосфор в количествах менее 0,1÷0,5%). При этом получаемые торфорудные брикеты содержали 44÷50% железа и 15÷20% углерода и характеризовались следующими показателями: прочность 180-290 кг/см²; крошимость до 8%; истираемость до 10 с/о; объемный вес 1,8-2,3 кг/см³.

Недостатками данного способа являются необходимость подготовки к процессу компактирования и непосредственно брикетирования сравнительно больших объемов сырья с низкой степенью углефикации для достижения необходимого содержания углерода в составе материала торфорудного брикета, а также потребность в относительно больших количествах кальцийсодержащих плавильных флюсов (известняк/известь).

В качестве наиболее близкого аналога выбираем гранулы и способ их получения, раскрытые в а.с. SU 164619 A, опубл. 19.07.1964. Сырьем для получения гранул служит смесь угля (газового или коксового жирного) 50-70% фракции 3-1 мм, трудновостановимой железной руды (или рудный концентрат) 25-45% фракции 1-0 мм, гашеной извести Са(ОН)₂ 5-10% в измельчении с остатком на сите 900 отв./см² не более 5%. Готовые гранулы железококса получают путем коксования сырых гранул, покрытых известью, в шахтных кольцевых или коксовых печах.

Недостатком изобретения является применение углеродсодержащего сырья высокой степени углефикации, что удорожает получаемые топливно-металлургические гранулы.

Поставлена задача - получить топливно-металлургические гранулы из трудновосстановимой железной руды и низкоуглефицированного углеродсодержащего топливно-восстановительного сырья, пригодные для выработки нескольких целевых продуктов обогащения и металлургического передела.

Поставленная задача решена следующим образом.

1. Топливно-металлургические гранулы, содержащие железосодержащую компоненту, углеродсодержащую компоненту и флюсующую добавку - в виде извести, известняка, доломита, мела, отличающиеся тем, что в качестве железосодержащей компоненты используют бурожелезняковые гетит-гидрогетитовые дегидратированные оолиты, а в качестве углеродсодержащей компоненты - высокодисперсный полукокс бурого угля и/или торфа в виде геля/золя, из состава которого удалена минеральная часть - зола полукоксования.

2. Топливно-металлургические гранулы по п. 1, отличающиеся тем, что оолиты дегидратированы при температуре 320-380°C.

3. Топливно-металлургические гранулы по п. 1 или 2, отличающиеся тем, что оолиты входят в состав гранул количестве не менее количества удаленной из полукокса золы полукоксования.

4. Способ получения топливно-металлургических гранул по любому из пп. 1-3, включающий подбор компонентов шихты, содержащих железо, углерод и флюсы, подготовку компонентов к шихтованию, смешивание подготовленных компонентов до однородного состава шихты, нагрев и гранулирование шихты, причем железосодержащую компоненту шихты подготавливают к шихтованию путем дегидратационного нагрева при температуре 320-380°C с раскрытием железосодержащих и флюсосодержащих концентрических слоев, а углеродсодержащую компоненту подготавливают к шихтованию путем полукоксования с последующим отделением минеральной части - золы полукоксования в качестве первого целевого продукта, и получение полукоксового геля/золя, после чего все компоненты смешивают, нагревают шихту и подают в гранулятор экструдерного типа для получения компактных топливно-металлургических гранул в виде цилиндров с диаметром и высотой 8-16 мм.

5. Способ получения топливно-металлургических гранул по любому из пп. 1-3, включающий подбор компонентов шихты, содержащих железо, углерод и флюсы, подготовку компонентов к шихтованию, смешивание подготовленных компонентов до однородного состава шихты, нагрев и гранулирование шихты, причем железосодержащую компоненту шихты подготавливают к шихтованию путем дегидратационного нагрева при температуре 320-380°C с раскрытием железосодержащих и флюсосодержащих концентрических слоев, а углеродсодержащую компоненту подготавливают к шихтованию путем полукоксования с последующим отделением минеральной части - золы полукоксования в качестве первого целевого продукта, и получение полукоксового геля/золя, после чего все компоненты смешивают, нагревают шихту и подают в гранулятор, например, экструдерного типа для получения компактных топливно-металлургических гранул в виде цилиндров с диаметром и высотой 8-16 мм, полученные гранулы подвергают термической обработке в рудовосстановительных печах или в кипящем слое топок водогрейных или паровых котлов теплоэлектростанций/теплоэлектроцентралей путем нагрева при температурах 850-1150°C с восстановлением до 67% железа из окисленной оолитовой руды.

6. Применение топливно-металлургических гранул по любому из пп. 1-3 в качестве ингредиента плавильной шихты электросталеплавильных и доменных печей.

7. Применение золы полукоксования, полученной в качестве первого целевого продукта в способе по п. 4, в качестве сырья для гидрометаллургического передела на редкие металлы.

8. Применение золы полукоксования, полученной в качестве первого целевого продукта в способе по п. 5, в качестве сырья для гидрометаллургического передела на редкие металлы.

Более подробно рассмотрение изобретения целесообразно провести на конкретном примере его возможной реализации.

ОПИСАНИЕ ПРИМЕРА РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящее время специалисты рассматривают принципиальные подходы к освоению двух месторождений на территории Томской области РФ, имеющих миллиардные запасы сырья - Бакчарского месторождения бурых железняков оолитового строения (БЖРМ) и Таловского месторождения бурых углей (ТБУМ). Качество Бакчарского железорудного сырья таково, что ближайшие к месторождению новокузнецкие металлургические комбинаты - КМК и ЗСМК - могут потреблять необогащенную руду в количествах, не превышающих 10-14% от общих потребностей в железной руде (что в абсолютном выражении составляет около 1 млн. т/год). При этом открытый способ отработки Бакчарского месторождения становится рентабельным с объемом годовой добычи руды в 10-12 млн. т/год (считаются оптимальными варианты добычи руды сухоройным карьером в 30, 60 или 120 млн. т/год). Транспортировка необогащенной бакчарской железной руды на расстояния более 500 км (на меткомбинаты, расположенные в центральной и западной частях России) экономически нецелесообразна. Поэтому актуально получение обогащенного сырья в компактной форме, предназначенного для плавильных шихт в доменном переделе (около 80% от общего объема ТМГ) и вне доменного передела (около 20% от общего объема ТМГ).

Местных запасов углеродсодержащего сырья для получения ТМГ из руды в объемах 30-120 млн. т/год достаточно с многократным превышением - эти запасы представлены таловскими бурыми углями, бакчарскими бурыми углями во вскрышных породах сухуройного карьера и торфами крупнейшего в мире Васюганского болота, перекрывающего БЖРМ. Добытая в 2007-2008 гг. крупнообъемная (1,7 тыс. т) технологическая проба бакчарской руды на 2/3 представлена гидрогетитовым оолитами классом крупности - 0,5+0,25 мм, как правило, концентрически-зонального строения. Концентрическая зональность оолитов обусловлена чередованием темных (кольцевых в сечении) зон гетит-гидрогетитового состава со светлыми кольцевыми зонами с различной степенью насыщенности карбонатной либо глинистой составляющей. В целом, крупность оолитов находилась в диапазоне размеров от 0,045 до 1,00 мм; содержание железа колебалось в пределах 35-46%, содержание флюсообразующих компонентов превышало 10%, а фосфора - достигало 0,46%.

Результаты исследования кернового материала таловских бурых углей (полученного в 1997-2000 гг.) установили, что зольность углей составляет - 25-40%; низкая теплота сгорания - 3000-4000 ккал/кг; массовая доля серы - 0,38-0,63%, фосфора 0,005-0,0054%; выход летучих веществ - 58,3-61,7%, гуминовых кислот - 47,9-53,4%, битума - 2,7-3,8%, смолы - 14,56-20,43%. Пиролиз углей обеспечивает выход полукокса в объеме 45% от массы исходного сырья 10% влажности (при максимальной влагоемкости угля в пласте, равной 31-38%), калорийностью 5500 ккал/кг. При переработке таловских углей в минеральном осадке, золе и пыли дымовых газов будет концентрироваться повышенное содержание скандия, кобальта, редкоземельных элементов и иттрия.

Использование бакчарских оолитов в качестве железосодержащей компоненты ТМГ сопровождается следующими особенностями:

- светлые слои в оолитах представлены флюсообразующим материалом, необходимым для выплавления железа;

- дериватографическое и термозвуковое исследование оолитов показало, что в диапазоне температур 320-340°С на кривой DTA=f(T°C) имеется значительно выраженный эндоэффект - «гидрогетитовая дегидратацианная яма», во время регистрации которой фиксируется интенсивные акустические сигналы декрепитации оолитовой структуры;

- гидрогетит как твердый раствор воды в гетите (α-FeOOH*nH₂O, где n=1,2÷1,5), содержит 10,1÷14,4% внутрикристализационной воды, требующей дополнительного расхода тепла на испарение в металлургическом процессе;

- при относительно больших скоростях нагрева оолитов дисперсность дегидратационных разрушений, вызванных взрывным давлением паров кристаллизационной воды гидрогетитов, характеризуется размерами осколков оолитов 0,01-0,02 мм;

- при необходимости излишний фосфор может быть выщелачен из осколков оолитов;

- в случае достаточного количества восстановителя, например твердого углерода полукокса таловских бурых углей, железо из оксидной формы в минералах гетит и гидрогетит восстанавливается, образуя ТМГ с 67% Fe;

- плотная структура ТМГ на базе дегидратированных оолитов при выгорании полукокса в температурном диапазоне 850-1150°С образует губчатое железо.

Использование таловских бурых углей в качестве восстановителя железа и топлива в ТМГ характеризуется следующим:

- полукоксование угля и его обеззоливание существенно увеличивают удельное содержание твердого углерода в ТМГ, минимизируя объем формовки (вместо брикета формуют гранулу);

- полукоксовая зола используется в качестве сырья для гидрометаллургического передела на скандий, кобальт, редкоземельные элементы и иттрий;

- при восстановлении ТМГ в топках ТЭС/ТЭЦ оолиты входят в состав гранул в количестве, равном количеству удаленной золы полукоксования;

- дисперсность полукокса достигает микро- и наноразмерной тонины помола;

- вредные примеси - сера и фосфор - в основном, выводятся из состава ТМГ с золой полукоксования, оставшаяся часть удаляется вместе с вредными примесями в оолитах при пирометаллургическом переделе в процессе дуплекс-плавки со снятием фосфористых шлаков.

Непосредственно процесс формования ТМГ достаточно отработан в различных вариантах, в качестве наиболее производительного представляется целесообразным использовать экструдерные грануляторы (подобные используются на Томском нефтехимическом комбинате, расположенном на борту Таловского месторождения).

Восстановление и металлизацию ТМГ осуществляют в соответствии с разработанной теорией известными способами (Ростовцев С.Т. Теория металлургических процессов. - М.: Металлургиздат, 1956. - 515 с.; Западно-Сибирский железорудный бассейн. /Под ред. Ф.Н. Шахова. - Новисибирск: Изд-во СО АН СССР, 1964. - 448 с.).

Таким образом достигается технический результат, заключающийся в получении качественного металлургического сырья из восстановленных ТМГ в виде губчатого и/или горячебрикетированного железа путем включения в экономический оборот громадных запасов буроцветного минерального сырья Западной Сибири - бурых железняков и бурых углей/торфов. Получаемое сырье может заменить значительный объем железосодержащей части доменной плавильной шихты близлежащих сибирских металлургических комбинатов - ЗСМК и КМК, привозящих руду за несколько тысяч километров. Получение и применение золы полукоксования повышает экономическую и экологическую целесообразность использования предложенного технического решения.