Машиностроение. Металлургия

В связи с нехваткой качественного марганцевого сырья в России и других странах СНГ встает вопрос об организации поставок марганцевых концентратов из ЮАР и Австралии. Подобная проблема и у металлургических предприятий нашей республики: рудная база Темиртауского электрометаллургического комбината: месторождения Богач и Есымжал, а также Таразского металлургического комбината: месторождения Караадырь и Западный Камыс не обеспечивают возрастающих потребностей производственных мощностей, что затрудняет работу и развитие данных предприятий.

Казахстан располагает огромными запасами марганецсодержащего сырья, однако в исходном виде они не пригодны для получения стандартных марок марганцевых ферросплавов, так как представлены железомарганцевыми разновидностями. В общем запасе марганецсодержащих руд доля железомарганцевых составляет около 70 %, что соответствует прогнозным запасам в 700 млн. т. Так, только на месторождениях Айгыржал прогнозные запасы железомарганцевых руд составляют свыше 200 млн. т; на месторождении Западный Каражал свыше 350 млн. т.; на месторождении Ушкатын III – 80 млн. т.

Противоречие между увеличением производства марганцевых ферросплавов и сокращением разведанных запасов качественных марганцевых руд будут возрастать в связи с тем, что дальнейшее увеличение или сохранение уровня производства марганцевых ферросплавов по принятым технологиям будет связано с вовлечением все более бедных руд, требующих глубокого обогащения, что неизбежно приведет к увеличению себестоимости марганцевых ферросплавов.

Необходимо вовлечение железомарганцевых руд в ферросплавный передел, при условии разработки рациональной технологии получения из них марганцевого концентрата с отношением Mn/Fe более 6, т.е. с удалением части железа.

Несмотря на многочисленные попытки, рациональных технологических решений нет. Применение железомарганцевых руд для выплавки стандартных марганцевых ферросплавов по действующим технологиям невозможно из-за низкого содержания марганца и высокого содержания железа. В технологическую схему, наряду с предварительным обогащением, необходимо включить дополнительную стадию по удалению железа. Существующий электрометаллургический метод удаления железа переплавом на марганцевый шлак и химические способы обогащения при использовании некондиционных железомарганцевых руд экономически невыгодны.

Одним из перспективных способов выделения железа является обжигмагнитный способ. Проведенные исследования в узком интервале температур 850-950 °С (традиционных для обжига железных руд) по обжигмагнитному обогащению железомарганцевых руд месторождений Западный Каражал и Дальний Восток не дали положительных результатов.

В настоящее время сотрудниками Химико-металлургического института разработан новый метод обжигмагнитной переработки железомарганцевых руд, включающий стадию восстановления железа газовыми углями месторождения Шубарколь и последующую магнитную сепарацию, позволяющую отделить восстановленное до ферромагнитной формы железо от марганцевой части рудного сырья. Данная технология позволяет получать пригодный для ферросплавного производства марганцевый концентрат из железомарганцевых руд и параллельно выделять железорудный концентрат.

Проведя экспериментальные исследования в широком интервале температур 500-1100 °С и расхода восстановителя, а также исследовав термодинамику и кинетику фазовых превращений, протекающих при обжиге железомарганцевых руд с использованием в качестве восстановителя шубаркольского угля, было установлено, что понижение температуры до 700 °С позволяет получить марганцевый концентрат из железомарганцевых руд, ранее считавшихся труднообогатимыми и неперспективными.

Сложность разработки предлагаемой технологии заключается в проведении такого восстановительного обжига чтобы марганцевые минералы сохранили немагнитные свойства, а немагнитные минералы железа железомарганцевой руды были переведены в ферромагнитное состояние в виде металлического железа или магнетита (Fe₃O₄).

До настоящего времени систематические научные исследования с выдачей рекомендаций и созданием основ процессов магнетизации для обжигмагнитного селективного разделения минералов железа от минералов марганца применительно к железомарганцевым рудам не проводились, так как железомарганцевые руды относились к неперспективным рудам. К тому же при переработке железомарганцевых руд возникает ряд сложностей, связанных с многообразием железомарганцевых разновидностей (в Республике Казахстан известно свыше 100 рудопроявлений марганецсодержащих руд):

1) широкий интервал содержания марганца от 10 до 30 % и железа от 5 до 30 %, что обусловливает необходимость индивидуального технологического подхода к каждой разновидности железомарганцевой руды;

2) сильные различия в минеральном составе руд (пиролюзит, родохрозит, якобсит, гематит, гидрогематиты и др.) требуют индивидуального выбора температурного режима обжига к каждой разновидности железомарганцевой руды;

3) различия в текстурно-структурном строении (размер рудных и нерудных зерен, степень их срастания) сильно влияют на технологически необходимую степень измельчения железомарганцевой руды перед магнетизирующим обжигом и последующей магнитной сепарацией.

В ходе проведения теоретических и экспериментальных исследований нами получены следующие результаты:

– на основе данных, полученных при проведении термодинамически-диаграммного анализа, построена диаграмма фазового строения системы Fe-Mn-C-O, на базе которой определены оптимальные конечные фазовые области применительно к процессам обжигмагнитного разделения железо- и марганецсодержащих минералов. Установлено, что для температуры ниже 550 °С оптимальной фазовой областью является усеченная пирамида Fe₃O₄-Mn₃O₄-Е³-Fe-C-MnO (рис. 1). Для температур выше 550 °С оптимальной областью представляется MnO-Fe-C-Е¹_{(750,950,1150)}, соответствующая металлизирующему обжигу и Fe₃O₄-MnO-Mn₃O₄-Е²-E³ – магнетизирующему обжигу (рис. 2);

– апробировано и отработано несколько различных методик (дифференциальные и интегральные) обработки дериватограмм (по кривым ДТА и ТГ) с получением кинетических параметров на примере фазовых превращений, протекающих в железомарганцевых рудах и их смесях с шубаркольским углем, что позволяет использовать их в дальнейшем для подобных обжиго­вых процессов в других отраслях черной и цветной металлургии (рисунок 3);

– методами неизотермической кинетики получены данные об энергии активации и кинетических порядках процессов, протекающих при обжиге железомар-

ганцевых руд в смеси с углем, и установлено, что восстановительные процессы протекают с высокой скоростью в области температур: 500-600 °С с образованием магнетита и при 800-1000 °С металлического железа (рисунок 4);

Рисунок 1 – Оптимальная фазовая область Fe₃O₄-Mn₃O₄-E³-Fe-C-MnO для обжигмагнитной переработки железомарганцевых руд при температуре 550 °С

– создана пилотная установка камерной обжиговой печи;

– проведены исследования в крупнолабораторном масштабе по отработке полной технологической схемы от обжигмагнитного обогащения железомарганцевых руд, окускования полученных обжигмагнитных марганцевых концентратов методами агломерации и брикетирования до выплавки ферросиликомарганца и высокоуглеродистого ферромарганца на рудно-терми­ческой печи с мощностью трансформатора 200 кВА.

В настоящее время Химико-металлургическим институтом начата реализация коммерческих проектов совместно с частными компаниями по реализации разработанной технологии в промышленных масштабах.