Закрытое акционерное общество «Урал-Омега»
+7 (499) 704-48-08
+7 (3519) 22-00-49
+7 (499) 704-48-08
+7 (3519) 22-00-49

Выбор и обоснование способа дезинтеграции металлургических шлаков

Колодежная Е. В.

Увеличение масштабов использования вторичного металлсодержащего сырья в противовес разработке месторождений бедных руд является одним из направлений обеспечения сырьевой базы промышленности. Из всего многообразия техногенных образований, получаемых в процессе металлургического производства металлов, основной объем составляют шлаки. В России, ежегодно образуется более 95 млн.т. шлаков [1], в отвалах накоплено 800 млн. т. шлаков черной и цветной металлургии.

В настоящее время на большинстве металлургических предприятий России шлаки не перерабатываются. Cредний уровень использования промышленных отходов по стране, равен всего лишь 36%, а доля использования отходов производства в качестве вторичного сырья не превышает 11% [2]. Образовавшиеся шлаковые отвалы создают острые экологические проблемы, связанные с отчуждением земельных отводов, запыленностью, процессами естественного выщелачивания.

Пирометаллургическое производство тяжелых цветных металлов характеризуется высоким выходом шлаков по отношению к выплавляемому металлу. Поэтому, хотя содержание цветных металлов в шлаке относительно не велико (0,1 – 2,0 %), общие потери весьма значительны.

Шлаки цветной металлургии постепенно вовлекаются в переработку с применением обогатительно-химико-металлургических технологий: гравитационных методов, флотации, магнитной сепарации и выщелачивания. Все эти методы предполагают предварительную дезинтеграцию шлаков.

Сложность глубокой переработки шлаков связана с недооценкой их характерных особенностей, физико-механических свойств, минерального состава шлаков и сложностью структуры. Это обусловлено отличными от природных, неравновесными и специфическими условиями образования шлаков.

Выбор способов механической дезинтеграции (дробления и измельчения) шлаков должен осуществляется с учетом дробимости, хрупкости, крупности вкраплений техногенных минералов и металлических включений, формы и пространственного распределения минеральных агрегатов.

Эффективность дезинтеграции предусматривает с одной стороны получение максимально большей вновь образованной поверхности на единицу затраченной энергии, а с другой необходимо обеспечить высвобождение минералов из сростков при минимальной вновь образованной поверхности, то есть без переизмельчения. Эффективность дезинтеграции в значительной степени зависит от селективности процесса, применения рационального оборудования и оптимального режима его работы.

Рудоподготовка является наиболее дорогостоящим и энергоемким процессом в общей схеме обогащения (капитальные затраты достигают 50 %, эксплуатационные – 60 % от суммы всех затрат, расход электроэнергии составляет 40 – 65 % от общего расхода) [3]. Поэтому снижение крупности продуктов дробления т. е. перенос части работы измельчения на дробление, позволит снизить затраты на дезинтеграцию материала.

Для селективного раскрытия минералов необходимо минимизировать нагрузки, прилагаемые к измельчаемому материалу, избыточное нагружение приводит к переизмельчению ценного компонента руд и, как результат, к переводу его в шламы, не поддающиеся обогащению.

В основе расчета всех машин, в том числе и для дробления породы, лежит создание необходимой технологической нагрузки. Определяющим фактором при разрушении на более мелкие фракции является не только величина, но и схема приложения нагрузок. При этом наибольший эффект достигается при схеме, обеспечивающей создание наиболее эффективных внутренних напряжений, т.е. создание такой совокупности нормальных и касательных напряжений, которые наиболее действенны при данном строении породы.

В настоящее время для дезинтеграции применяются в основном щековые, валковые и роторные дробилки. Данные агрегаты имеют низкую селективность при высоких энергозатратах. Расчет конструктивных параметров таких дробилок базируется на создании в породе внутренних напряжений, для определения которых используется схема нагружения, представленная на рис. 1а. При таком нагружении предполагается что, внутри тела возникают только нормальные напряжения, вызванные сжатием. Разрушение следует ожидать лишь в зоне, лежащей вблизи прямой, соединяющей силы F и R.

В общем случае частица руды может быть разрушена в результате воздействия на нее усилий или их комбинаций, обеспечивающих: сжатие, растяжение, раскалывание, сдвиг.

В соответствии с принятой классификацией по способу приложения нагрузки к породе, выделяется группа «ударные» [2]. В настоящее время расчет внутренних напряжений в породе, разрушаемой на аппаратах, относящихся к этой группе, основывается на той же схеме силового взаимодействия порода – инструмент, что и в щековых дробилках (см. рис. 1, а). Однако в отличие от щековых дробилок, где активным элементом является инструмент, в дробилках ударного действия силовые взаимодействия обусловлены торможением породы на инструменте. В этом случае внешними силами, обеспечивающими разрушение, являются силы инерции, возникающие в породе при резкой остановке на поверхности камеры дробления. Сила инерции, приложенные к выделенным фрагментам, определяется по формуле:

где Vi – объем фрагмента, м3; - плотность, кг/м3; - ускорение при торможении, м/с2.

Рис. 1. Схема расчета, соответствующая инерционным дробилкам: где Fiин – векторы силы инерции отдельных зерен куска материала; Fмол – вектор силы с которой молоток действует на кусок; - скорость движения молотка; - скорость движения куска до удара; R – реакция опоры.

Схема нагружения, соответствующая ударным дробилкам представлена на рис.1б. При составлении схемы нагружения использовались следующие положения:

1. Руда представляется в виде совокупности различных фрагментов постоянного объема и плотности.

2. Внутри руды при взаимодействии с инструментом возникают силы инерции, приложенные в центре тяжести фрагментов.

3. Предельные напряжения внутри руды происходят по плоскостям концентрации напряжений, дефектов структуры и трещинам.

В соответствии с принятой моделью в теле возникают как нормальные напряжения, обусловленные сжатием σсж, так и нормальные напряжения, вызванные изгибом σиз. При этом интенсивность последних, может превышает σсж. Зона действия напряжений значительно расширяется. Следовательно, вероятность разрушения по трещинам, находящимся в зоне действия сил, повышается. Данное обстоятельство, при прочих равных условиях, позволяет обеспечить разрушение породы при более низких значениях ускорений, а следовательно и меньших энергетических затратах.

Предложенную методику использовали для расчета условий необходимых для разрушения шлаков, представляющих собой образец техногенного сырья. Шлаки - это сложные сплавы компонентов, находящихся в состоянии ионной диссоциации. В процессе шлакообразования происходит запутывание мельчайших капелек металла или штейна в шлаковой структуре. После затвердевания шлак представляет собой камень или стекловидное тело. Переработка твердых шлаков реализуется, как правило, в холодном состоянии за счет механического воздействия, включающего поэтапное дробление шлака на аппаратах, работающих на принципах сжатия и сдвига (щековые и валковые дробилки). Однако, при этом не обеспечивается полнота извлечения металлов из шлаков из-за недостаточного раскрытия сростков минеральных фаз или переизмельчения. С целью повышения качества подготовки шлаков целесообразно использовать дробилки центробежно-ударного действия.

Определение условий нагружения и расчет внутренних напряжений был выполнен с помощью программы FEMmodel, реализующей метод конечных элементов.

Данная программа позволяет решать упругие и упругопластические, статические и динамические задачи, как плоские, так и объемные задачи в интегральных и приращенных величинах. Некоторые модели поддерживают оба способа постановки задач, некоторые только один из них. Так же предусмотрено решение системы линейных уравнений прямыми и итерационными методами.

На первом этапе была создана расчетная схема с помощью набора стандартных конечных элементов, а также встроенного редактора конечных элементов, который позволяет создавать конечные элементы любой формы. Затем назначены свойства и последовательность введения и прекращения действия элементов схемы. После этого назначаются нагрузки и производятся расчеты схемы. При необходимости возможна визуализация расчетов, построение деформированной схемы, графика выбранных величин.

Для составления адекватной расчетной схемы на примере отвальных никельсодержащих шлаков комбината «Североникель» были изучены физико-механические свойства этих шлаков.

Гранулометрический состав техногенных образований зависит от вида шлака, способа уборки, первичной переработки, условий содержания и сроков хранения отвальной массы. В отвальных никелевых шлаках преобладает класс – 20 + 10 мм, выход которого составляет 95 %.

В изученных шлаках были определены фактор формы, объемная доля металлических включений по классам крупности для исследуемых шлаков. В ходе исследований было установлено, что в изучаемых шлаках близкое соотношение морфометрических параметров:

- круглый фактор формы металлических включений составляет 0,8…0,9, а неметаллических включений – 0,13…0,22;

- соотношение размеров металлических и неметаллических включений по их средним значениям находится в пределах 0,23…0,43

- объемная доля металлических включений находится в диапазоне от 0,3-1,1.

Наличие четких границ и ярко выраженной округлой формы металлических включений позволяет предположить возможность эффективной дезинтеграции в аппаратах центробежно-ударного дробления.

Отвальный никелевый шлак имеет дендритовую структуру. Основная матрица шлака состоит из алюмосиликата. Также присутствуют включения железо-марганцевого силиката в виде кристаллов с четкими гранями.

Анализ результатов измерения микротвердости показал, что изучаемые компоненты шлаков имеют весьма существенные (в 1,5 – 2 раз) различия в микротвердости. Что свидетельствует о различном сопротивлении удару основных компонентов шлака. Такое строение кусков шлака позволяет применить к анализу силового взаимодействия при разрушении на дробилках центробежно-ударного действия предложенную схему рис. 2.

Рис. 2. Микрофотографии шлаков.

Представленная на рис. 2 дискретизация области, положенная в основу схемы расчета, позволяет определить напряжения и деформации, а следовательно и ускорения необходимые для разрушения куска материала [3].

Сила инерции обусловлена величиной ускорения и массой зерен. Напряжения, возникающие на границах зерен, зависят от постоянных характеристик, представленных в описании зерен. Программа позволяет определять предельные напряжения, при которых происходит разрушение по границам зерен в зависимости от характеристики структуры шлака и ускорение торможения. Варьируя величину определялось еe значение, при которой действующие напряжения превышают предельные на границах фрагментов. По значению на основе стандартной методики определяются геометрические и силовые параметры ударной дробилки.

Предложенная методика построения схемы нагружения с учетом распределенного характера инерционных нагрузок и определения необходимых ускорений позволяет более адекватно представлять физику силового взаимодействия и определять параметры ударных дробилок рациональным образом.

 

Литература:

  • Официальный сайт Министерства природных ресурсов Российской Федерации: www.mnr.gov.ru
  • Е.И. Остров, Ю.В. Винокуров, В.И.Тихонов (ЗАО "ОЭМК-ВТОРМЕТ"). Утилизация металлургических шлаков – резерв экономики. ООО "Империя" статьи и заметки.
  • Абрамов А. А. Переработка и обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых. Т 1. Обогатительные процессы и аппараты: Учебник для ВУЗов. – М.: Издательство Московского государственного горного университета. 2001. – 117 с.
  • Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: Пер с англ. – М.: Мир. 1981. – 255 с.
по заявке 6Е-125561909
558,32 у.е. к доплате
Скачать статью () в PDF