Применение сидеритовых руд при производстве чугуна и стали


А. С. Вусихис, Л. И. Леонтьев











            ПРИМЕНЕНИЕ СИДЕРИТОВЫХ РУД ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА И СТАЛИ


Монография



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 669.05:669.162.12
ББК 34.22
      В88

                        Рекомендовано к изданию ученым советом Института металлургии Уральского отделения РАН




Рецензент:
доктор физико-математических наук Гельчинский Б. Р.





     Вусихис, А. С.
В88 Применение сидеритовых руд при производстве чугуна и стали : монография / А. С. Вусихис, Л. И. Леонтьев. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 116с.: ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0818-9

      Приведены общие сведения о ресурсах сырья Бакальского месторождения, оценены запасы железных руд Бакальского рудного поля. Представлены химические и минералогические составы сидеритов основных месторождений, результаты исследований изменения физико-химических и металлургических свойств сидеритов в процессе термообработки с целью определения параметров упрочняющего и восстановительного обжига. Рассмотрен промышленный опыт и оценена эффективность использования сидеритов в доменной плавке, определена возможность их применения в сталеплавильном производстве при различных способах их подготовки.
      Для инженерно-технических работников предприятий черной металлургии, проектных и научно-исследовательских центров. Может быть полезно студентам и аспирантам, обучающимся по направлению «Металлургия».

                                                 УДК 669.05:669.162.12
                                                 ББК 34.22









ISBN 978-5-9729-0818-9

     © Вусихис А. С., Леонтьев Л. И., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ВВЕДЕНИЕ

     Среди запасов железорудного сырья на Урале особое место занимают сидериты Бакальского месторождения, долгое время являвшиеся сырьевой базой ряда предприятий.
     Бакальское месторождение - одно из крупнейших месторождений сидеритов в мире. Балансовые запасы сидеритов составляют около 1 млрд т. Горногеологические условия позволяют добывать 20-25 млн т руды в год. Реальная добыча во много раз меньше.
     Это объясняется рядом причин: сравнительно низкое содержание железа (30-35 %), высокое (10-12 %) содержание магнезии, глубокое залегание руд, а также отсутствие разработанной технологии обогащения и подготовки сидеритов к плавке с получением материала богатого железом с низким содержанием оксида магния и вредных примесей.
     Существующая в настоящее время технология обогащения, включающая окислительный обжиг руды и последующую магнитную сепарацию, позволяет получать концентрат с содержанием железа 48-50 % при степени извлечения около 80 %. По сравнению с доменной плавкой на сырой сидеритовой руде использование в качестве шихты этого концентрата дает определенный экономический эффект. Однако, показатели плавки на данном сырье ниже по сравнению с аналогичными параметрами доменной плавки на магнетитовых концентратах, содержащих 62-65 % железа. Восстановительный обжиг позволяет увеличить содержание железа в концентрате до 68-70 %. Однако, содержание в нем пустой породы остается таким же, как и в концентрате, полученном при окислительном обжиге. Кроме того, качество концентрата, получаемого при таком обогащении, не отвечает требованиям современной металлургии.
     Говоря о перспективах развития Бакальских рудников, необходимо учесть следующее: в связи с истощением запасов коксующихся углей, ужесточением экологических требований, предъявляемых к металлургическому производству, повышением требований к качеству стали в мировой горно

3

металлургической промышленности получает широкое распространение бес-коксовая переработка железных руд с получением высококачественных метал-лизованных материалов с частичным или полным восстановлением железа до металлического состояния.
     Бакальские сидериты относятся к труднообогатимым рудам. Обогащение их обычными методами не обеспечивает удовлетворительного качества концентрата даже при очень тонком измельчении. Содержащийся в сидерите оксид магния химически связан с железом, поэтому при обычном обогащении он почти полностью переходит в концентрат. Металлизация позволяет разорвать химические связи оксидов железа с оксидами пустой породы. Однако, восстановленный металл равномерно распределяется по объему куска или окатыша, что требует очень тонкого измельчения для отделения пустой породы последующей магнитной сепарацией. С целью облегчения обогащения разработаны основы процесса, предусматривающего перераспределение металлической и шлаковой фазы уже на стадии металлизации с получением железа в виде корольков металла крупностью до 3-5 мм.
     В монографии приведены общие сведения о бакальских сидеритовых рудах, особенности их химического и минералогического составов, результаты исследований изменения физико-химических и металлургических свойств сидеритов в процессе термообработки с целью определения параметров упрочняющего и восстановительного обжига. Оценена эффективность использования сидеритов в доменной плавке и сталеплавильном производстве.

4

1. ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
СИДЕРИТОВЫХ РУД БАКАЛЬСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ


1.1. Состояние запасов железных руд Бакальского месторождения



     Бакальское рудное поле - одно из крупнейших месторождений железных руд на Урале. По состоянию на 01.01.2012 г. их балансовые запасы по категориям A+B+Ci составляют 625 млн т, из них 594 млн т представлены сидеритовыми рудами и 31 млн т бурыми железняками. C учетом категории C2 общие балансовые запасы сидеритов составляют 953 млн т, бурых железняков -34 млн т. Запасы руд по отдельным месторождениям приведены в табл. 1.1.


Таблица 1.1. Запасы железных руд бакальской группы месторождений на01.01.2012г.

                                          Содержа-            
Месторождение        Запасы, тыс. т         ние    Всего, т. т
    Тип руд      А+В+С1   С2   Забалансо-  Fe, %   (А+В+С1+С2)
                               вые запасы                     
      Стоящие на балансе ООО «БРУ», разрабатываемые            
Ново-Бакальское  64025  16328      0       33,02      80353   
Бурые железняки   332              0       45,21       332    
Сидериты         63693  16328      0       32,97      80021   
Петлинское       12808  1018       0       43,65      13826   
Бурые железняки  12378  1018       0       44,26      13396   
Сидериты          430              0       29,08       430    
Шиханское        294780 93150    24909     29,87     387930   
сидериты                                                      
в т. ч. участки: 54724  3078      817      32,08      57802   
Северный                                                      
Средний          129655 38970              30,19     168625   
Южный            110401 51102    24092     28,41     161503   
ИТОГО: разра-    371613 110496     0       30,90     482109   
батываемые                                                    
Бурые железняки  12710  1018       0       44,28      13728   
Сидериты         358903 109478     0       30,42     468381   

5

Продолжение таблицы 1.1

Стоящие на балансе ООО «БРУ», временно законсервированные      
С-3 склон горы  19607         911       0     34,64    20518  
Иркускан                                                      
Бурые железняки     0         16        0     0,00      16    
Сидериты        19607         895       0     34,64    20502  
ИТОГО: закон-   19607         911       0     34,64    20518  
сервиров                                                      
Бурые железняки     0         16        0     0,00      16    
Сидериты        19607      895          0     34,64    20502  
ИТОГО: по ООО     391220   111407       0     31,08   502627  
«БРУ»                                                         
Бурые железняки 12710        1034       0     44,28    13744  
Сидериты        378510     110373       0     30,64   488883  
                 Государственный резерв                        
Восточно-       13389        4277       0     33,15    17666  
Буландихинское                                                
Бурые железняки 615                           47,20     615   
Сидериты        12774        4277             32,60    17051  
им. ОГПУ        12426         263     8950    29,14    12689  
Бурые железняки 121                           46,20     121   
Сидериты        12305      263        8950    29,00    12568  
Нижне-          149            0        0     38,40     149   
Бакальское                                                    
Бурые железняки 149                           38,40     149   
Канатная            53         0        0     43,40     53    
дорожка                                                       
Бурые железняки     53                        43,40     53    
Ю-В склон горы  2588          383       0     38,36    2971   
Иркускан                                                      
Бурые железняки 441                           48,30     441   
Сидериты        2147       383                36,60    2530   
Рудничное       187454     243577       0     31,65   431031  
Сидериты        187454     243577             31,65   431031  
Зюраткульский   5137           0        0     41,40    5137   
участок                                                       
Бурые железняки 5137                          41,40    5137   
Ново-Карельское 953        621          0     41,91    1574   
Бурые железняки 953        621                41,91    1574   
Еловое          11997        1835     8896    39,64    13832  
Бурые железняки 10685        1260     7740    40,60    11945  
Сидериты        1312       575        1156    32,90    1887   
ИТОГО           234 146    250 956    10106   32,27   485 102 
гос. резерв                                                   
Бурые железняки 18 154       1 881    7740    41,33   20 035  

6

Окончание таблицы 1.1

Сидериты        215 992 249 075 10106  31,61 465 067
ВСЕГО           625 366 362 363 17 846 31,46 987 729
ПО БАКАЛУ                                           
Бурые железняки 30 864   2 915   7740  42,55 33 779 
Сидериты        594 502 359 448 10 106 30,99 953 950

     Основные запасы бурых железняков сосредоточены на месторождениях Петлинское и Ежовое, а сидеритовых руд - на Ново-Бакальском, Шиханском и Рудничном месторождениях. Бурые железняки добываются на Бакальских рудниках более 200 лет. Их запасы ограничены, использование их известно (агломерат для доменных печей). Наиболее богатые (36,5 %) по железу сидеритовые руды сосредоточены на месторождении Юго-Восточный склон горы Иркускан, а наиболее бедные (29,0 %) - на месторождении им. ОГПУ. Открытым способом сидеритовую руду добывают на трех рудниках: Ново-Бакальский, Иркускан, Шуйдинский, а подземной разработкой - на шахте «Сидеритовая».


1.2. Минералогический состав сидеритовых руд

     Минералогический и химический состав сидеритовых руд очень разнообразен [1-9]. Технологические пробы руды, отобранные из разных месторождений, существенно отличаются между собой по составу железосодержащих минералов, разубоживающих пород, по размерам включений и количественному соотношению железосодержащих и породообразующих минералов.
     Сидеритовая руда представляет собой кристаллические зернистые породы большей частью темно-серой и светло-серой окраски, внешне напоминающие мраморы. Рудная часть представлена двумя-тремя разновидностями сидерита:
     а) сидеритом разнозернистой структуры;
     б) сидеритом среднезернистой структуры (на Бакале почти не встречается);
     в) сидеритом тонко- и мелкодисперсной структуры.
     Форма у зерен неправильная, близкая к изометрической. По окраске среди сидеритовых руд наблюдаются однородно и неоднородно окрашенные раз

7

ности. Текстуры у сидеритовых руд разнообразные. Выделены следующие типы текстур: массивные, прожилковые, брекчиевые, полосчатые, червячные, гранулитовые и др. Породная часть: доломиты, доломитизированные известняки, сланцы кварцево-глинистого состава, диабазы и кварциты.
     Минералы, представляющие собой изоморфную смесь карбонатов железа, магния, представлены в таблице 1.2.


Таблица 1.2. Изоморфный ряд FeCOj - MgCOj

Наименование минералов Параметры содержания, %  
                       FeCO3        MgCO3      
       Сидерит         95-100        0-5       
     Сидероплезит      70-95        30-5       
      Пистомезит       50-70        50-30      
       Мезитит         30-50        70-50      
      Брейнерит         5-30        70-95      
       Магнезит         0-5        95-100      

     Минералогическими исследованиями [8] установлено, что основными железосодержащими рудными минералами бакальских сидеритов являются си-дероплезит и пистомезит, которые кроме карбонатов железа и магния содержат карбонат марганца. В зависимости от содержания оксида магния сидероплезит подразделяется на несколько разновидностей [2]:
     -  магнезиальный, содержащий до11 % MgO и34.5 %Fе;
     -  среднемагнезиальный (11-13,8 % MgO и 34,5-33,0 % Fc);
     -  высокомагнезиальный (13,8 % MgO и 33,0 % Fc).
     В зависимости от размеров нерудных включений сидеритовые руды подразделены условно на крупновкрапленные с размерами нерудных включений более 3 мм и тонковкрапленные с размерами нерудных включений менее 3 мм. Крупновкрапленные руды в свою очередь подразделяются по раскрываемости сидероплезита на две разновидности. При обогащении первой разновидности в крупности 50-0 мм выделяются отвальные крупные хвосты и бедные концентраты, представленные сидероплезитом с тонкими включениями кварца или сланца, раскрывающиеся при тонком измельчении (100 % класса - 0,074 мм).


8

При обогащении второй разновидности руды крупностью 50-0 мм выделяются крупнокусковые концентраты с содержанием Fe 29-34 %. MgO - 12-17 %, SiO2 - 4-5 %. Хвосты, выделенные из этих руд, содержат 26 % Fe и представлены сростками сидероплезита со сланцами или кварцем, раскрывающихся при измельчении до -3 мм или -1 мм.
      К крупновкрапленным относятся руды месторождений им. ОГПУ, Ново-Бакальского и Восточно-Буландихинского. Руды месторождения Иркускан представлены крупновкрапленными и мелковкрапленными рудами. Железо представлено преимущественно в двухвалентной форме в карбонатах. Трехвалентное железо указывает на частичное окисление. С рудными минералами в сидеритовой руде связано 97-98 % железа. Содержание железа, связанного с силикатными (сланцы, диабазы и др.) и карбонатными (анкеритом, доломитом) пустыми породами, незначительное и составляет 1,5-3 %. Средний химический состав сидеритовых руд по месторождениям представлен в табл. 1.3 [10].


Таблица 1.3. Химический состав сидеритов месторождений, эксплуатируемых ОАО «Бакальские рудники»

Месторожде-                  Содержание                         
    ние       Fe     Р    S   П.п.п SiO2  AI2O3 CaO   MgO  MnO 
Ново-        31,54 0,001 0,06 35,54 7,37  2,20  2,12 9,67  1,25
Бакальское                                                     
Восточно-Бу- 32,70 0,008 0,13 36,66 6,79  0,74  1,91 9,11  1,72
дандихинское                                                   
им. ОГПУ     23,10 0,013 0,79 35,33 6,93  1,86  7,08 14,23 1,01
Северо-      28,46 0,013 0,13 33,97 11,14 2,84  2,66 9,39  1,35
Шиханское                                                      
Гаевское     33,6  0,040 0,08 35,91 7,65  1,62  0,57 8,05  1,59
Шуйдинское   30,76 0,013 0,22 38,88 4,80  0,66  3,94 11,04 1,37

      Из приведенных в табл. 1.3 данных следует, что массовая доля железа в сидеритовых рудах изменяется от 23 до 34 %, оксида магния - от 8 до 15 %. Кроме оксидов железа и магния в сидеритах содержится некоторые количества оксидов кальция и марганца. Содержание оксида марганца в руде в количественном отношении более или менее постоянная величина (1-2 %). Колебания

9

содержания СаО значительные: от 0,5 до 7,5 %. Из некарбонатных примесей отмечается SiO2, связанный, главным образом, с наличием в рудах свободного кремнезема (кварц, халцедон), а также силикатов и алюмосиликатов; AI2O3 - в виде глинистой составляющей сланцев. Сера в сидеритовых рудах представлена преимущественно сульфидами, а в баритизированной сидеритовой руде встречается в виде сульфатов. По содержанию фосфора руды относятся к чистым (менее 0,04 %). Поскольку минеральные фазы (сидероплезит и писто-мезит) в сидеритовой руде представляют собой изоморфную смесь карбонатов железа, магния и марганца, то при обогащении механическим путем невозможно выделить в чистом виде окислы железа или рудного элемента, входящие в кристаллическую решетку минерала.

10