ДОБЫЧА И ОБОГАЩЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД (ИТС 25-2023)

Содержание

Введение

Предисловие

VII

Область применения

Раздел 1 Общая информация о состоянии и уровне развития технологий добычи и

обогащения железных руд

Раздел 2 Описание технологических процессов, используемых в настоящее время

на предприятиях области применения ИТС 25

2.1 Открытая добыча железных руд

2.2 Подземная добыча железных руд

2.3 Обогащение железных руд

2.3.1 Общие сведения

2.3.2 Дробление, измельчение, классификация

2.3.3 Обогащение

2.3.4 Обезвоживание: сгущение и фильтрование

2.3.5 Сушка концентрата (аглоруды)

2.3.6 Складирование, транспортирование

2.3.7 Оборотное водоснабжение, хвостовое хозяйство, сточные воды

2.4 Окускование. Производство железорудных окатышей

2.4.1 Общие сведения

2.4.2 Исходные сырьевые материалы

2.4.3 Подготовка шихты

2.4.4 Окомкование, классификация

2.4.5 Термический упрочняющий обжиг

2.4.6 Сортировка, складирование, транспортирование, отгрузка готовых

обожженных окатышей

106

2.4.7 Водоподготовка, оборотное водоснабжение

106

2.4.8 Обращение с эмиссиями

107

2.5 Производство железа прямого восстановления

109

2.5.1 Общие сведения

109

2.5.2 Физико-химические процессы, протекающие при металлизации в

шахтных печах

113

2.5.3 Требования к исходному сырью

115

2.5.4 Транспортировка исходного сырья, его классификация, покрытие

перед восстановлением

116

2.5.5 Описание печей восстановления

117

2.5.6 Генерация восстановительного газа

125

2.5.7 Системы технологического газа

138

2.5.8 Системы рекуперации тепла

144

2.5.9 Способы снижения вторичного окисления прямо восстановленного

железа

148

2.5.10 Водоподготовка, оборотное водоснабжение

153

2.5.11 Вспомогательные системы установок металлизации

155

2.6 Генерация электрической и тепловой энергии

159

2.6.1 Общие сведения

159

2.6.2 Устройство паровой турбины

160

2.7 Экономические аспекты реализации НДТ

161

Раздел 3 Текущие уровни эмиссии в окружающую среду

166

3.1 Открытая добыча железных руд

166

3.2 Подземная добыча железных руд

176

3.3 Обогащение железных руд

179

3.4 Окускование

189

3.5 Производство железа прямого восстановления

199

3.6 Системы менеджмента

203

3.6.1 Системы экологического менеджмента

203

3.6.2 Системы энергетического менеджмента и повышение

энергоэффективности производства

208

Раздел 4 Определение наилучших доступных технологий

214

Раздел 5 Наилучшие доступные технологии, инструменты и практика

экологического и энергетического менеджмента

217

Раздел 6 Перспективные технологии

231

6.1 Перспективные технологии в области добычи железных руд

231

6.1.1 Беспилотные автосамосвалы

231

6.1.2 Беспилотные тяговые агрегаты

232

6.1.3 Автоматизированная система управления буровыми работами и

зарядными машинами

232

6.1.4 Применение систем высокоточного позиционирования ковша для

забойных экскаваторов

233

6.1.5 Применение беспилотных летательных аппаратов для производства

маркшейдерских работ

234

6.1.6 Автоматизация процессов добычных работ в подземных условиях.. 235

6.1.7 Высокопроизводительная проходка горных выработок

236

6.1.8 Использование сплавов и износостойких материалов

236

6.1.9 Автоматизированный аппаратный контроль состояния ствола,

подъемных сосудов, канатов

236

6.1.10 Компенсация реактивной мощности

237

6.1.11 Интеллектуальный карьер

237

6.1.12 Цифровизация управления процессами железнодорожной перевозки

горной массы

238

6.2 Перспективные технологии в области обогащения железных руд

238

6.2.1 Обогащение слабомагнитных руд

238

6.2.2 Измельчение магнетитовых кварцитов

239

6.2.3 Автоматизация технологического процесса обогащения

239

6.2.4 Вовлечение в переработку окисленных железистых кварцитов

240

6.2.5 Новые технологии складирования хвостов

241

6.3 Перспективные технологии в области окомкования

241

6.3.1 Совершенствование тепловых схем существующих обжиговых

машин

241

6.3.2 Совершенствование состава шихты для производства окатышей

242

6.3.3 Совершенствование процессов сырого окомкования

243

III

6.4 Перспективные технологии в области прямого восстановления железа .. 244

6.4.1 Применение zero-процесса прямого восстановления железа

244

6.4.2 Применение одностадийных технологий металлизации

245

6.4.3 Использование технологии регулирования содержания углерода в

металлизованном продукте

246

6.4.4 Переход установок металлизации на работу с использованием

водорода

247

6.4.5 Применение азота высокой чистоты с целью сохранения качества

металлизованной продукции

248

6.4.6 Внедрение системы рециркуляции горячей мелочи ГБЖ

248

Заключительные положения и рекомендации

250

Приложение А (обязательное) Перечень маркерных веществ и технологических

показателей

251

Приложение Б (обязательное) Перечень НДТ

256

Приложение В (обязательное) Ресурсная и энергетическая эффективность

262

Приложение Г (обязательное) Индикативные показатели удельных выбросов

парниковых газов

267

Приложение Д (обязательное) Заключение по наилучшим доступным

технологиям «Добыча и обогащение железных руд»

287

Библиография

310

Введение

Настоящий информационно-технический справочник по наилучшим доступ-

ным технологиям «Добыча и обогащение железных руд» (далее - справочник НДТ)

представляет собой документ национальной системы стандартизации, содержа-

щий систематизированные данные в области добычи, обогащения и окускования

железных руд, а также прямого восстановления железа, включающий в себя описа-

ние технологий, процессов, методов, способов и иные данные. Данный справочник

разработан на основе анализа технологических, технических и управленческих ре-

шений, применяемых для обеспечения высокой эффективности использования ма-

териальных и энергетических ресурсов и экологической результативности в добыче

железных руд, при производстве железорудного сырья и железа прямого восста-

новления.

Справочник НДТ разработан взамен справочника НДТ ИТС 25-2021 «До-

быча и обогащение железных руд» в соответствии с распоряжением Правительства

Российской Федерации от 10 июня 2022 г. № 1537-р «Об утверждении поэтапного

графика актуализации информационно-технических справочников по наилучшим

доступным технологиям» [1].

Структура настоящего справочника НДТ соответствует ГОСТ Р 113.00.03-

2019 [2], формат описания технологий - ГОСТ Р 113.00.04-2020 [3], термины и

определения приведены в соответствии с ГОСТ Р 56828.15-2016 [4].

Краткое содержание справочника

Введение. Представлено краткое содержание справочника НДТ.

Предисловие. Указаны цель разработки справочника НДТ, его статус, зако-

нодательный контекст, а также взаимосвязь с аналогичными международными до-

кументами.

Область применения. Описаны основные виды деятельности, на которые

распространяется действие справочника НДТ.

В разделе 1 представлена информация о состоянии и уровне развития в

Российской Федерации технологий добычи и обогащения железных руд. Также в

разделе 1 приведен краткий обзор экологических аспектов добычи и обогащения

железных руд.

В разделе 2 даны краткие описания основных технологических процессов и

технических решений, применяемых при производстве железорудного концентр-

ата, обожженных окатышей и железа прямого восстановления. Информация систе-

матизирована таким образом, чтобы, с одной стороны, сформировать основу для

анализа типичных уровней эмиссий и потребления ресурсов, а с другой - предста-

вить спектр подходов, из которых могут быть выделены наилучшие доступные ре-

шения для области применения справочника. Описаны сведения, характеризую-

щие экономические аспекты деятельности предприятий, имеющие отношение к

внедрению наилучших доступных технологий и (или) к достижению показателей

экологической результативности и ресурсоэффективности, соответствующих тех-

нологическим показателям НДТ.

В разделе 3 представлена доступная информация о факторах воздействия

процессов добычи, обогащения и окускования железных руд, а также прямого вос-

становления железа на окружающую среду, представлены сведения о характерных

эмиссиях и о потреблении ресурсов, затронуты вопросы воздействия на природные

ландшафты.

Раздел 4 посвящен обсуждению порядка идентификации наилучших доступ-

ных технологий (технологических, технических и управленческих решений), харак-

терных для области применения справочника НДТ.

В разделе 5 приведены наилучшие доступные технологии и, где это воз-

можно, технологические показатели, определенные в результате сравнительного

анализа экологической результативности и ресурсоэффективности российских

предприятий, реализующих процессы добычи, обогащения и окускования железных

руд, а также прямого восстановления железа.

В разделе 6 собрана информация о перспективных технологических, техни-

ческих и управленческих решениях в области добычи, обогащения и окускования

железных руд, а также прямого восстановления железа.

Заключительные положения и рекомендации. Приведены сведения о

членах технической рабочей группы, принимавших участие в разработке справоч-

ника НДТ, рекомендации предприятиям по дальнейшим исследованиям экологиче-

ских аспектов их деятельности.

Приложения. Приведены перечень маркерных загрязняющих веществ, пе-

речень технологических показателей, перечень НДТ, сведения о ресурсной (в том

числе энергетической) эффективности, индикативные показатели удельных выбро-

сов парниковых газов, а также «Заключение по наилучшим доступным техноло-

гиям» для рассматриваемой отрасли промышленности.

«Заключение по наилучшим доступным технологиям» включает части ИТС

НДТ, содержащие:

- область применения;

- описание НДТ, уровни эмиссий, соответствующие НДТ (технологические по-

казатели), а также информацию, позволяющую оценить их применимость;

- методы производственного экологического контроля (прежде всего подходы

к организации измерений, в том числе касающиеся систем автоматического кон-

троля).

«Заключение по наилучшим доступным технологиям» сформировано для ис-

пользования заинтересованными лицами, в том числе промышленными предприя-

тиями, при формировании заявок на комплексные экологические разрешения, а

также надзорными органами при выдаче комплексных экологических разрешений и

является кратким описанием основных положений ИТС НДТ, включая описание

наилучших доступных технологий, информации, позволяющей оценить их приме-

нимость, уровни эмиссий и потребления ресурсов, методы производственного эко-

логического контроля.

Библиография. Приведен перечень источников информации, использован-

ных при разработке настоящего справочника НДТ.

Предисловие

Цели, основные принципы и порядок разработки информационно-техниче-

ского справочника по наилучшим доступным технологиям установлены постанов-

лением Правительства Российской Федерации от 23 декабря 2014 года № 1458 [1].

Перечень областей применения наилучших доступных технологий определен рас-

поряжением Правительства Российской Федерации от

24 декабря

2014 года

№ 2674-р [2].

1 Статус документа

Настоящий информационно-технический справочник по наилучшим доступ-

ным технологиям (далее - справочник НДТ) является документом по стандартиза-

ции.

2 Информация о разработчиках

Справочник НДТ разработан технической рабочей группой «Добыча и обога-

щение железных руд» (ТРГ 25), созданной приказом Минпромторга России от

28 февраля 2023 года № 645.

Перечень организаций, принимавших участие в разработке справочника,

приведен в разделе «Заключительные положения и рекомендации».

3 Краткая характеристика

Справочник НДТ содержит описание применяемых при добыче железных

руд, при производстве железорудного концентрата, обожженных окатышей и же-

леза прямого восстановления технологических процессов, оборудования, техниче-

ских способов, методов, позволяющих, прежде всего, снизить негативное воздей-

ствие на окружающую среду, водопотребление, повысить энергетическую эффек-

тивность, ресурсосбережение. Среди описанных технологических процессов, обо-

рудования, технических способов, методов определены решения, являющиеся

наилучшими доступными технологиями (НДТ). Для ключевых НДТ в настоящем

справочнике НДТ установлены соответствующие им технологические показатели.

4 Взаимосвязь с международными, региональными аналогами

Справочник НДТ разработан в результате проведения сравнительного ана-

лиза технологических процессов, технических решений, управленческих (организа-

ционных) подходов, применяемых российскими предприятиями при добыче желез-

ных руд, при производстве железорудного концентрата, обожженных окатышей и

железа прямого восстановления, для достижения высокой экологической результа-

тивности и эффективности использования природных ресурсов. При разработке

справочника НДТ приняты во внимание подходы и информация о наилучших прак-

тиках в соответствующих областях применения, систематизированные такими ор-

ганизациями, как Австралийский экологический фонд производителей минераль-

ных и энергетических ресурсов (Australian Minerals and Energy Environment

Foundation), Железнорудная компания Канады (Iron Ore Company of Canada), Ми-

нистерство предпринимательства, энергии и коммуникаций Швеции (Swedish

Ministry of Enterprise, Energy and Communications), Департамент природных ресур-

сов Южно-Африканской Республики (Department of Mineral resources, Republic of

VII

South Africa). В частности, использованы материалы аналитического издания «Эко-

логический менеджмент в области добычи минеральных и энергетических ресурсов

в Австралии. Принципы и практика» (Environmental Management in the Australian Min-

erals and Energy Industries: Principles and Practices, 1996).

5 Сбор данных

Информация о технологических процессах, оборудовании, технических спо-

собах, методах, применяемых при добыче и обогащении железных руд, при произ-

водстве железорудного сырья в Российской Федерации, была собрана в процессе

разработки справочника НДТ в соответствии с Порядком сбора и обработки данных,

необходимых для разработки и актуализации информационно-технического спра-

вочника по наилучшим доступным технологиям и анализа приоритетных проблем

отрасли, утвержденным приказом Минпромторга России от 18 декабря 2019 года

№ 4841 [3].

6 Взаимосвязь с другими справочниками НДТ

Взаимосвязь настоящего справочника НДТ с другими справочниками НДТ,

разрабатываемыми (актуализируемыми) в соответствии с распоряжением Прави-

тельства Российской Федерации от 10 июня 2022 г. № 1537-р «Об утверждении по-

этапного графика актуализации информационно-технических справочников по

наилучшим доступным технологиям» [1], приведена в разделе «Область примене-

ния».

7 Информация об утверждении, опубликовании и введении в действие

Справочник НДТ утвержден приказом Росстандарта от 22 ноября 2023 г.

№ 2439.

Справочник НДТ введен в действие с 01 января 2024 года, официально опуб-

ликован в информационной системе общего пользования - на официальном сайте

Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Ин-

тернет (www.gost.ru ).

VIII

И Н Ф О Р М А Ц И О Н Н О - Т Е Х Н И Ч Е С К И Й

С П Р А В О Ч Н И К П О Н А И Л У Ч Ш И М Д О С Т У П Н Ы М

Т Е Х Н О Л О Г И Я М

Добыча и обогащение железных руд

Iron ore mining and concentration

Дата введения - 2024-01-01

Область применения

Настоящий справочник НДТ распространяется на следующие основные виды

деятельности, определяемые в соответствии с общероссийским классификатором

видов экономической деятельности (ОКВЭД 2) ОК 029-2014 (КДЕС Ред. 2) и в соот-

ветствии с общероссийским классификатором продукции по видам экономической

деятельности (ОКПД 2) ОК 034-2014 (КПЕС 2008) (приняты и введены в действие

приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

от 31 января 2014 года № 14):

а) добыча и обогащение железных руд, включая:

1) открытую добычу железных руд;

2) подземную добычу железных руд;

3) обогащение железных руд;

б) окускование, производство железорудных окатышей;

в) производство железа прямого восстановления;

г) дополнительные виды деятельности с целью подготовки железорудного

сырья: дробление, измельчение, классификация, фильтрование, сушка и сорти-

ровка железных руд, окомкование.

Справочник НДТ также распространяется на процессы, связанные с основ-

ными видами деятельности, которые могут оказать влияние на объемы эмиссий и

(или) масштабы загрязнения окружающей среды:

- процессы, использующие методы предотвращения и сокращения эмиссий

загрязняющих веществ и парниковых газов, утилизации отходов;

- хранение и транспортировка железорудного сырья.

Справочник НДТ не распространяется на:

- производство черных металлов;

- деятельность, которая касается исключительно обеспечения промышленной

безопасности или охраны труда.

Вопросы охраны труда рассматриваются частично и только в тех случаях,

когда оказывают влияние на виды деятельности, включенные в область примене-

ния настоящего справочника НДТ.

Дополнительные виды деятельности и соответствующие им справочники

НДТ приведены в таблице O.1.

Таблица О.1 - Дополнительные виды деятельности и соответствующие им

справочники НДТ

Вид деятельности

Соответствующий справочник НДТ

ИТС 16-2023 «Горнодобывающая промышленность. Об-

Добыча полезных ископаемых

щие процессы и методы»

ИТС 22-2016 «Очистка выбросов вредных (загрязняющих)

Очистка выбросов вредных

веществ в атмосферный воздух при производстве продук-

(загрязняющих) веществ в ат-

ции (товаров), а также при проведении работ и оказании

мосферный воздух

услуг на крупных предприятиях»

ИТС 8-2022 «Очистка сточных вод при производстве про-

дукции (товаров), выполнении работ и оказании услуг на

крупных предприятиях»

Очистка сточных вод

ИТС 10-2019 «Очистка сточных вод с использованием

централизованных систем водоотведения поселений, го-

родских округов»

ИТС 46-2019 «Сокращение выбросов загрязняющих ве-

Хранение и обработка мате-

ществ, сбросов загрязняющих веществ при хранении и

риалов

складировании товаров (грузов)»

ИТС 9-2020 «Утилизация и обезвреживание отходов тер-

мическими способами»

ИТС 15-2021 «Утилизация и обезвреживание отходов

Обращение с отходами

(кроме обезвреживания термическим способом (сжигание

отходов)»

ИТС 17-2021 «Размещение отходов производства и по-

требления»

Производство чугуна, стали и

ИТС 26-2022 «Производство чугуна, стали и ферроспла-

ферросплавов

вов»

Производство изделий даль-

ИТС 27-2023 «Производство изделий дальнейшего пере-

нейшего передела черных ме-

дела черных металлов»

таллов

Промышленные системы

ИТС 20-2016 «Промышленные системы охлаждения»

охлаждения

Производство электрической

ИТС 38-2022 «Сжигание топлива на крупных установках в

и тепловой энергии

целях производства энергии»

ИТС 48-2023 «Повышение энергетической эффективно-

Повышение энергетической

сти при осуществлении хозяйственной и (или) иной дея-

эффективности

тельности»

Сфера распространения настоящего справочника НДТ приведена в таблице

О.2.

Таблица О.2 - Сфера распространения ИТС НДТ

Наименование продукции

Наименование вида дея-

ОКПД 2

ОКВЭД 2

по ОК 034-2014 (ОКПД)

тельности по ОКВЭД 2

Добыча железных руд

07.10.1

подземным способом

Добыча железных руд от-

07.10.2

крытым способом

Обогащение и агломера-

07.10.3

ция железных руд

07.10.10.110

Руда железная сырая

07.10.10.120

Руда железная товарная

необогащенная

07.10.10.130

Концентрат железоруд-

ный

07.10.10.131

Концентрат железоруд-

ный с массовой долей

железа не менее 69,5%

07.10.10.132

Концентрат железоруд-

ный с массовой долей

железа не менее 65%

07.10.10.133

Концентрат железоруд-

ный с массовой долей

железа от 63 до 65%

07.10.10.134

Концентрат железоруд-

ный с массовой долей

железа менее 63%

07.10.10.145

Концентрат железоруд-

ный товарный

07.10.10.146

Концентрат железоруд-

ный, профилактирован-

ный известью

07.10.10.150

Окатыши железорудные

(окисленные)

07.10.10.151

Окатыши железорудные

офлюсованные

07.10.10.152

Окатыши железорудные

неофлюсованные

Производство продуктов

24.10.13

прямого восстановления

железной руды и губча-

того железа

24.10.13.110

Горячебрикетированное

железо

24.10.13.110

Окатыши металлизован-

ные, термически пассиви-

рованные

Раздел 1 Общая информация о состоянии и уровне развития

технологий добычи и обогащения железных руд

Россия занимает второе место в мире по запасам железной руды, уступая

только Бразилии. Запасы категорий A +B + C1 + C2, учтенные «Государственным ба-

лансом полезных ископаемых. Железные руды» по состоянию на 01.01.2020 г., дости-

гают

112 млрд т, ресурсы наиболее достоверной категории P1 оцениваются в

96,2 млрд т. При этом качество железорудного сырья в России заметно ниже, чем в

других странах, обладающих значительными запасами этого сырья (например, Брази-

лии, Австралии и Индии).

Распределение запасов железных руд и их прогнозных ресурсов категории

P1 по основным субъектам РФ представлено на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Распределение запасов железных руд и их прогнозных ресурсов ка-

тегории P1 по основным субъектам РФ, млрд т

Основу российской железорудной базы составляют железистые кварциты

(более 52% запасов категорий A + B + C1 от запасов железных руд Российской Фе-

дерации), руды со средним содержанием железа общего - около 34% и требующие

обогащения. Запасы месторождений богатых гематит-сидерит-мартитовых руд

Курской магнитной аномалии (КМА) составляют около

30 млрд т (катего-

рии A + B + C1 + C2), но из-за сложных условий залегания только шестая их часть

может быть вовлечена в разработку.

Руды титаномагнетитового промышленного типа занимают второе место в

российской сырьевой базе железных руд (более 15% запасов кат. A + B + C1

страны). Руды преимущественно бедные: среднее содержание железа общего -

около 17%. По масштабу запасов титаномагнетитовых руд Уральская железоруд-

ная провинция не имеет аналогов в мире.

Руды магнетитового промышленного типа составляют около 14% запасов

кат. A + B + C1 России (8,4 млрд т). Руды их, как правило, легкообогатимы и отли-

чаются сравнительно высоким содержанием железа общего (среднее содержание

- 33,1%). Большая часть запасов месторождений магнетитовых руд скарнового

типа разведана в Сибирском федеральном округе в Горной Шории, Кузнецком Ала-

тау и Горном Алтае. На территории округа запасы кат. A + B + C1 составляют 12,6%

общих запасов, добыча - 4,4% от добычи по России.

Руды остальных промышленных типов занимают значительно меньшую

долю в сырьевой базе железных руд России. С учетом прироста в результате гео-

логоразведочных работ, добычи и потерь при добыче запасы железных руд катего-

рий A + B + C1 в 2019 году уменьшились относительно предыдущего года на

344 тыс. т; категории C2 - на 56 тыс. т.

Россия занимает пятое место в мире по добыче железорудного сырья. До-

быча сырых железных руд в 2019 году составила 346,6 млн т, еще 19,3 тыс. т полу-

чено из техногенных образований. В 2019 году добыча железных руд велась на 47

месторождениях.

Основные месторождения железных руд и их добыча в субъектах РФ пред-

ставлены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Основные месторождения железных руд и распределение их до-

бычи по субъектам РФ, млн т

Около 84% российского производства железорудного сырья обеспечивают

четыре холдинга - АО ХК «Металлоинвест», «ЕвразГруп С. А.», ПАО «Север-

сталь», ПАО «НЛМК».

Характеристика основных месторождений железных руд и перечень эксплу-

атирующих их предприятий представлены в таблице 1.1, [7], [8], [9].

Таблица

1.1 - Основные месторождения железных руд и перечень

эксплуатирующих их предприятий

Запасы руды,

Доля в ба-

Добыча

Содержание

Геолого-промыш-

млн т

лансовых

руды

Месторождение

Fe в рудах,

ленный тип

запасах РФ,

в 2019 г.,

A + B + C1

млн т

РАЗРАБАТЫВАЕМЫЕ

ПАО «Михайловский ГОК им. А.В. Варичева» (АО «ХК «Металлоинвест»)

Гематит-магнети-

Михайловское * (Кур-

товый в желези-

7533,3

4668,6

10,8

39,5

50,6

ская область)

стых кварцитах

АО «Лебединский ГОК» (АО «ХК «Металлоинвест»)

Магнетитовый в

Лебединское (Белго-

железистых квар-

5253,2

2995,5

7,3

49,8

родская область)

цитах

АО «Карельский окатыш» (ПАО «Северсталь»)

Костомукшское,

Магнетитовый в

Корпангское (Респуб-

железистых квар-

623,7

68,8

0,6

32,1

19,3

лика Карелия)

цитах

АО «Ковдорский ГОК» (АО «МХК «ЕвроХим»)

Ковдорское * (Мурман-

Бадделеит-апа-

671,7

724,7

1,2

25,2

12,8

ская область)

тит-магнетитовый

АО «Евраз ЗСМК» («Евраз Груп С.А.»)

Шерегешевское (Кеме-

122,2

14,5

0,1

2,9

ровская область)

Магнетитовый в

Таштагольское * (Кеме-

скарнах

58,6

1,5

0,1

48,5

1,7

ровская область)

ПАО «Коршуновский ГОК» (ПАО «Мечел»)

Рудногорское * (Иркут-

Магнетитовый в

48,9

2,4

0,1

31,7

2,9

ская область)

скарнах

Коршуновское (Иркут-

Магнетитовый в

43,7

0,04

24,4

2,9

ская область)

скарнах

АО «Стойленский ГОК» (ПАО «НЛМК»)

Гематит-магнети-

Стойленское * (Белго-

товый в желези-

4859,4

1028,5

5,2

37,9

родская область)

стых кварцитах

АО «Комбинат КМАруда» (УК «ПМХ»)

Магнетитовый в

Коробковское (Белго-

железистых квар-

2961,9

639,5

3,1

33,1

4,8

родская область)

цитах

ООО «Корпанга» (ПАО «Северсталь»)

Окончание таблицы 1.1

Запасы руды,

Доля в ба-

Добыча

Содержание

Геолого-промыш-

млн т

лансовых

руды

Месторождение

Fe в рудах,

ленный тип

запасах

в 2019 г.,

A + B + C1

РФ, %

млн т

Яковлевское * (Белго-

Гематит-сидерит-

1584,4

2877,1

3,8

60,5

0,9

родская область)

мартитовый

АО «ЕВРАЗ КГОК» («Евраз Груп С.А.»)

Гусевогорское (Сверд-

Ванадиево-тита-

1928,1

1090,5

2,7

16,6

57,7

ловская область)

номагнетитовый

ООО «ГРК «Быстринское» (ПАО «ГМК «Норильский никель»)

Быстринское (Читин-

Магнетитовый в

253,3

0,3

24,4

8,3

ская область)

скарнах

ООО «Кимкано-Сутарский ГОК» (IRC Ltd.)

Кимканское (Еврейская

Магнетитовый

76,8

43,4

0,12

33,1

8,1

АО)

ПОДГОТАВЛИВАЕМЫЕ К ЭКСПЛУАТАЦИИ

ООО «ЛЕКС ЭЛЕКТА»

Суроямское (Челябин-

Ванадиево-тита-

1791,2

1918,5

3,2

14,3

0**

ская область)

номагнети-товый

АО «ЕВРАЗ КГОК» («Евраз Груп С.А.»)

Собственно-Качканар-

Ванадиево-тита-

ское (Свердловская об-

3602,6

3269,9

6,5

16,6

номагнетитовый

ласть)

ОАО ГМП «Забайкалстальинвест» (АО УК «Союзметаллресурс»)

Чинейское (Забайкаль-

Титаномагнети-

464,1

472,4

0,8

33,5

ский край)

товый

ЗАО «ГМК «Тимир» (АК «Алроса» (ПАО), «Евраз Груп С.А.»)

Тарыннахское (Респуб-

Магнетитовый в

920,5

1827,5

2,4

28,3

лика Саха, (Якутия))

железистых квар-

Горкитское (Респуб-

цитах

581,2

884,1

1,3

28,5

лика Саха (Якутия))

НЕРАСПРЕДЕЛЕННЫЙ ФОНД

Висловское (Белгород-

Гематит-сидерит-

1453

2500

3,5

60,7

ская область)

мартитовый

Магнетитовый в

Приоскольское (Белго-

железистых квар-

1560,6

678

1,9

37,1

родская область)

цитах

Гостищевское (Белго-

Гематит-сидерит-

2595,8

7559

9,1

61,6

родская область)

мартитовый

* Часть запасов находится в нераспределенном фонде.

** «0» в последнем столбце означает, что в 2019 году добыча на данном месторождении не велась по

различным причинам.

открытых горных работ идет по пути наращивания производственной мощности, пе-

рехода от железнодорожного транспорта на конвейерный, увеличения габаритных

размеров горнотранспортного оборудования. Самые крупные карьеры располо-

жены в районе КМА: Лебединский ГОК, Стойленский ГОК, Михайловский ГОК

им. А. В. Варичева. Суммарный объем добычи этих карьеров за 2019 год состав-

ляет 183,3 млн т железной руды, что составляет 52,9% от всего объема добычи

руды в России за 2019 год. Одним из лидеров по производству железной руды в

2019 году является Качканарский ГОК, расположенный в городе Качканар Сверд-

ловской области, суммарный объем добычи с 4-х карьеров составил 57,7 млн т

руды. В целом на открытые горные работы в России приходится более 87% от всей

добычи железной руды [9].

В настоящее время доля подземного способа добычи железных руд в РФ по-

стоянно снижается, так как не вызывает достаточного инвестиционного интереса,

поскольку ее себестоимость, за редким исключением, в 2-4 раза превышает себе-

стоимость руды, добытой открытым способом. При этом имеющаяся в стране сы-

рьевая база железных руд весьма обширна для того, чтобы наращивать текущий

уровень добычи. В России подземная добыча сосредоточена в основном на семи

железорудных предприятиях (объединениях), эксплуатирующих одиннадцать руд-

ников. Подземные предприятия по добыче железной руды расположены: в Цен-

тральном регионе АО «Комбинат КМАруда» (добывает 20% от общего объема под-

земной добычи), ООО «Корпанга»; АО «Олкон» в Мурманской области на Олене-

горском месторождении с 2005 года производит подземную отработку запасов; на

Урале ООО «Бакальское РУ», ОАО «Высокогорский ГОК» в составе НПРО «Урал»,

ОАО «Богословское» РУ (обеспечивает

30% добычи); в Западной Сибири

АО «Евраз ЗСМК», включающее Таштагольский, Горно-Шорский и Казский фили-

алы и ООО «Руда Хакасии» Абаканский рудник, на долю которых приходится 41%

подземной добычи. При этом предприятия Западной Сибири и Урала добывают в

основном магнетитовые руды с примесью гематита и сидериты с содержанием же-

леза в недрах от 27 до 49% в Западной Сибири и от 32 до 46 % на Урале. АО «Ком-

бинат КМАруда» разрабатывает месторождение железистых кварцитов с содержа-

нием железа 32-34%, Яковлевский рудник добывает природнобогатые железные

руды. По геологическим условиям месторождения железных руд относятся в основ-

ном ко второй группе сложности. Таштагольское и Шерегешское месторождения в

Горной Шории отнесены к удароопасным, а Абаканское, Естюнинское, Высокогор-

ское, Песчанское, Гороблагодатское и Казское месторождения - к склонным к гор-

ным ударам. Железорудные месторождения России по сравнению с зарубежными

характеризуются более низким качеством руд, значительной глубиной отработки и

сложными горно-геологическими условиями их разработки. Отработка их на пред-

приятиях производится системами: этажно-камерными, этажного принудительного

обрушения с отбойкой руды на компенсационные камеры и зажимающую среду,

подэтажного обрушения с торцовым выпуском руды с применением самоходного

оборудования, этажного камерного обрушения с закладкой выработанного про-

странства твердеющими смесями. Яковлевский рудник отрабатывает богатейшее

месторождение Курской Магнитной Аномалии с применением системы отработки

нисходящими слоями с твердеющей закладкой [9].

Мировые запасы железных руд оцениваются в 170 млрд т, ресурсы - в

670 млрд т. Производство товарных железных руд в мире в 2019 году достигло

2,5 млрд т. Четыре ведущие компании (Vale, BHP Billiton, Rio Tinto и FMG) контро-

лируют более 70% мировой торговли железной рудой. Ведущими странами - про-

изводителями товарной железной руды являются Австралия, Бразилия, Китай, Ин-

дия и Россия, которые вместе производят почти 80% железной руды. Главным фак-

тором, определяющим состояние и направление развития мирового рынка желез-

ных руд на протяжении последних двадцати лет, является ситуация в промышлен-

ности Китая. Мировое производство железной руды представлено в таб-

лице 1.2 [10].

Таблица

1.2 - Производство концентратов железной руды ведущими странами

мира, млн т

Наименование

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

Австралия

496

581

641

759

809

854,5

900

918,7

Бразилия

372

366

401

383

380

412

435,4

393,9

Китай

355

377

317

246

161

200

210

350

Индия

133

126

157

116

159

166

200,9

220,1

Россия

105

106,6

106,5

102,4

Прочие

410

456

489

403

363

391,9

454,5

515,3

Всего

1863

2004

2110

2002

1967

2131

2307

2500

Мировая динамика цен на железную руду в 2010-2020 гг. (62% Fe) представ-

лена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Динамика цен на железную руду в 2010-2020 гг. (62%

Fe), долл./т

Снижение цен на железную руду прежде всего связано с ситуацией в эконо-

мике Китая как крупнейшего в мире производителя стали, на долю которого прихо-

дится 2/3 мирового импорта железной руды. Два фактора - значительный дополни-

тельный объем предложения железорудного сырья (ЖРС) из Австралии в связи с

ростом добычи компаниями Rio Tinto, BHP Billiton и FMG и замедление темпов роста

экономики Китая - оказывают наиболее существенное давление на цены.

В 2010-2011 гг. восстановление мировой экономики после глобального кри-

зиса 2009 года предопределило рост спроса на стальную продукцию и, соответ-

ственно, на железорудное сырье. Период высокого спроса оказался непродолжи-

тельным. Замедление роста мировой экономики в конце 2011 года оказало сильное

давление на потребление железных руд. При этом их производство продолжало

увеличиваться. Это привело к формированию профицита руды и стремительному

падению цен на нее, продолжавшемуся до 2015 года.

Дополнительное давление на цены ЖРС оказало установленное в 2014 году

для китайских производителей стали ограничение на доступ к кредитным ресурсам,

что привело к увеличению запасов руды в портах. Долгосрочные тренды развития

рынка ЖРС формируются под влиянием различных факторов. С одной стороны, ка-

чество руды на мировом рынке постепенно снижается. Ухудшение качества входя-

щего сырья приводит к увеличению себестоимости выпуска стали и повышению

объема вредных выбросов металлургии. Вместе с тем нарастающей тенденцией в

мире является ужесточение экологической политики. В частности, Китай, по-преж-

нему являющийся локомотивом мирового спроса на ЖРС, по примеру развитых

стран (США, страны Европы) взял курс на ужесточение экологических требований,

предполагающих снижение вредного воздействия металлургических производств

на окружающую среду, в том числе посредством улучшения качества потребляе-

мого ЖРС.

Ситуация на рынке несколько улучшилась только в 2017-2018 гг. благодаря

оживлению мировой экономики, а также предпринятым правительством Китая ме-

рам по реорганизации и модернизации сталелитейной промышленности. Цена на

железную руду на конец 2018 года составляла 69 долл./т, а в январе 2019 года -

около 76 долл./т. Однако 25 января 2019 года обрушилась дамба хвостохрани-

лища Брумадиньо, принадлежащая компании Vale, в результате чего погибли не

менее 259 человек. В первый день февраля цена выросла на 14%, это был самый

высокий суточный рост цены, зафиксированный в течение 2019 года. В результате

аварии было выведено из эксплуатации первоначально примерно 90 млн т мощно-

стей. Постепенно компания Vale возобновила свою деятельность, и объем выве-

денных из эксплуатации мощностей сократился до 60 млн т. Однако этого было до-

статочно для того, чтобы цена на железную руду существенно возросла. С февраля

2019 года цена резко выросла и достигла пика в начале июля на отметке

123 долл./т. Однако период, когда цена превышала 120 долл./т, оказался коротким,

и в течение августа цена упала на 24%. Во второй половине 2019 года цена стаби-

лизировалась и колебалась в пределах 80-95 долл./т.

Однако в 2020 году на рынке железной руды по-прежнему спрос превышал

предложение. Перебои с поставками в конце 2019 года, обусловленные тропиче-

скими циклонами в регионе Pilbara в Западной Австралии и наводнением на юге и

востоке Бразилии, привели к росту цен. Пожар в портовом терминале Ponta de

Madeira компании Vale в январе 2021 года может еще больше затруднить экспорт

из Бразилии и повлиять на цены. С введением мер по сдерживанию COVID-19 на

отдельных рудниках было произведено дополнительное сокращение мощностей.

Устойчивый и стабильный спрос со стороны Китая и перебои с поставками желез-

ной руды, в основном из Бразилии, стали причиной того, что цены на железную руду

адаптировались к стесненности рынка морской торговли и остаются высокими,

даже несмотря на то, что в целом экономическая ситуация оставалась неопреде-

ленной. В начале мая 2020 года цена на железную руду начала расти, поскольку

предложение не успевало за спросом. К началу сентября цена вышла на плато, но

к началу декабря снова стала резко расти. На конец года цена составила

156 долл./т, увеличившись с начала года на 70%. Средняя цена за 2020 год соста-

вила 107 долл./т, что на 15% больше, чем в 2019 году (93 долл./т).

Надбавка к цене на высококачественную железную руду резко выросла в

конце 2018 года, поскольку спрос в Китае увеличился, а предложение из Бразилии

сократилось. Как следствие, рынки приспособились к использованию в течение

2019 года большего количества руды более низкого качества при некотором сниже-

нии надбавки к цене. Примерно в апреле 2020 года разница в цене на сорта желез-

ной руды снова увеличилась на фоне всплеска спроса на руду более высокого ка-

чества, но с тех пор несколько сократилась. В начале 2021 года можно было наблю-

дать некоторые признаки повышения спроса на высококачественную железную

руду, и, как следствие, ценовой разброс несколько увеличился.

Спрос на железную руду как в России, так и в мире будет расти. Это связано

с мировым ростом населения, освоением новых территорий, с заменой изношен-

ных основных фондов.

Наиболее быстрые темпы роста численности населения ожидаются в Аф-

рике. Из 2,4 млрд прироста мирового населения к 2050 году 1,3 млрд придется на

Африку, 0,9 млрд - на Азию. Наиболее высокие темпы роста наблюдаются в стра-

нах, находящихся на стадиях, предшествующих бурному экономическому росту.

Существенное влияние на изменение географии спроса окажут растущие страны,

имеющие достаточно высокие доходы для осуществления модернизации: Индия,

Иран, Нигерия. В ближайшие годы рост численности населения в этих регионах бу-

дет сопровождаться масштабной индустриализацией и интенсификацией потреб-

ления металлов, тем самым создавая новый рынок сбыта черных и цветных метал-

лов. Модернизация экономики, происходящая в названных странах, будет оказы-

вать существенное позитивное влияние на темпы роста глобальных рынков метал-

лов. Индия в меньших масштабах, чем Китай, вполне может повторить рост спроса

на продукцию металлургии по мере вхождения в активную фазу индустриализации

и урбанизации. При этом доля крупнейших потребителей металлов (ЕС, США, Ки-

тай) будет уменьшаться на фоне роста спроса в новых регионах.

Нынешнее снижение мировых цен на железную руду не влияет на уровень

добычи железорудных кварцитов в РФ. Это связано как с резким ростом курса ино-

странных валют по отношению к рублю в последние годы, так и с российским регу-

лированием квот и тарифов на ввоз государством заменяющего сырья, т. е. импорт

стали из Китая в ближайшие годы не предусматривается. В частности, такой подход

был применен в 2015 году в США, когда тариф на импорт стали из Китая составил

более 200%, что привело к резкому снижению поставок железной руды из Китая.

Но мировое снижение цен, пусть даже в посткризисный период, может отри-

цательно сказаться на внутреннем рынке РФ. В связи с этим уже сейчас рассмат-

риваются государственные программы (оборонзаказ, дорожное строительство, жи-

лищное строительство, машиностроение) по росту металлопотребления на внут-

реннем рынке. На основании данных Rusmet и РБК объем необходимых ресурсов

для старта программ - от 1 трлн руб.

Видимое потребление железорудной продукции в России в 2019 году вы-

росло на 1% по сравнению с предыдущим годом и составило более 89 млн т. При-

мерно на 90% оно обеспечивается внутренним производством, остальное - импор-

том, основная часть которого поступает из Казахстана (Соколовско-Сарбайское

горно-обогатительное производственное объединение) на Магнитогорский метал-

лургический комбинат. Остальные металлургические комбинаты функционируют на

отечественном сырье.

Две трети российского производства обеспечивает «Металлоинвест», в со-

став которого входят Михайловский и Лебединский ГОКи. Михайловский ГОК

им. А. В. Варичева ведет добычу богатых гематит-мартитовых руд и железистых

кварцитов на одноименном месторождении в Курской области. Лебединский ГОК в

Белгородской области открытым способом разрабатывает Лебединское месторож-

дение. Из добытой руды производят железорудный концентрат, окатыши и горячеб-

рикетированное железо (ГБЖ). Переработку руд обеспечивают два металлургиче-

ских предприятия, входящих также в структуру АО «ХК «МЕТАЛЛОИНВЕСТ», -

АО «Оскольский электрометаллургический комбинат им. А. А. Угарова», на кото-

ром реализована технология прямого восстановления железа, и АО «Уральская

сталь», выпускающее стальную продукцию. «Металлоинвест» претворяет в жизнь

стратегию увеличения доли продукции с высокой добавленной стоимостью, воз-

водя на Лебединском ГОКе крупнейший в мире модуль по производству ГБЖ (цех

ГБЖ № 3 мощностью 1,8 млн т/г.). Запуск установки состоялся в апреле 2017 года.

На Михайловском ГОКе им. А. В. Варичева в 2015 году завершены строительство и

выход на проектную мощность обжиговой машины ОМ 3, что позволило комбинату

за счет увеличения производства окатышей стать самым крупным их производите-

лем в СНГ и четвертым в мире. В 2020 году МГОК освоил производство премиаль-

ных окатышей из флотационного концентрата Лебединского ГОКа. Программа раз-

вития Михайловского ГОКа им. А. В. Варичева предусматривает запуск в 2022 году

корпуса дообогащения концентрата, который ежегодно будет производить до 16,9

млн тонн высококачественного концентрата для последующего производства ока-

тышей на фабрике окомкования МГОКа. На первую половину 2024 года запланиро-

ван запуск завода по производству горячебрикетированного железа в Железногор-

ске по технологии Midrex мощностью более 2 млн т в год. Михайловский ГОК им.

А. В. Варичева станет поставщиком железорудных окатышей для нового завода.

Второе место в российской железорудной отрасли занимает ПАО «Север-

сталь». Оленегорский ГОК (АО «Олкон») в Мурманской области разрабатывает

шесть месторождений железистых кварцитов с получением концентрата. АО «Ка-

рельский окатыш» функционирует на базе трех месторождений железистых квар-

цитов: Костомукшского, Корпангского и Южно-Корпангского, из руд которых полу-

чают окатыши. Объем добычи на крупнейшем месторождении холдинга - Яковлев-

ском (ООО «Корпанга») в 2019 году составил 1,2 млн т. Планируется рост добычи

на подземном руднике. Компания «Северсталь» на комбинате «Карельский ока-

тыш» реализует проект, предусматривающий раздельную переработку легко- и

труднообогатимых руд и выпуск окатышей повышенного качества (с 63,2 до 64,3%

Fe и далее - до 66%) для нужд Череповецкого металлургического комбината.

АО «Стойленский ГОК», входящее в группу компаний ПАО «НЛМК», откры-

тым способом разрабатывает железистые кварциты Стойленского месторождения,

производя концентрат, окатыши и аглоруду. Группа НЛМК расширяет мощности

Стойленского ГОКа до 42 млн т/г руды, в 2016 году завершено строительство фаб-

рики окомкования мощностью 6 млн т/г окатышей. Фабрика имеет потенциал уве-

личения объемов производства окатышей до 7,2 млн т/г.

В структуру холдинга «Евраз Груп С. А.» входят два горнодобывающих пред-

приятия. Около 90% добычи холдинга обеспечивает АО «ЕВРАЗ КГОК», эксплуати-

рующее крупнейшее в Свердловской области Гусевогорское месторождение тита-

номагнетитовых руд. На обогатительной фабрике Нижнетагильского металлургиче-

ского комбината производят железо-ванадиевый концентрат, из которого получают

агломерат и окатыши. Оставшиеся 10% добывают на месторождениях Кемеров-

ской области: Таштагольском, Казском и Шерегешском. В 2019 году на Таштаголь-

ском подземном руднике проводились работы по наращиванию объемов добычи

железной руды с 2,2 до 3,25 млн т в год. Самый крупный железорудный проект,

близкий к вводу в эксплуатацию, реализуется на комплексном титаномагнетитовом

Собственно-Качканарском месторождении в Свердловской области. Месторожде-

ние расположено в 5 км от разрабатываемого Гусевогорского месторождения; руды

обоих объектов схожи, поэтому обогащение и дальнейшую переработку решено

проводить по аналогичной схеме. В результате обогащения планируется получать

железистые окатыши и агломерат с содержанием железа 62,38% и 61,44% соответ-

ственно.

АО «Ковдорский ГОК», входящее в структуру АО «МХК «ЕвроХим», разраба-

тывает одноименное месторождение в Мурманской области, из комплексных

бадделеит-апатит-магнетитовых руд которого получают железорудный, апатито-

вый и бадделеитовый концентраты.

АО «Комбинат КМАруда» разрабатывает Коробковское месторождение же-

лезистых кварцитов в Белгородской области, поставляя железорудный концентрат

на Тульский металлургический комбинат (ПАО «Тулачермет»). Обе компании вхо-

дят в структуру УК «Промышленно-Металлургический Холдинг» (ООО УК «ПМХ»).

АО «Комбинат КМАруда» реализуют стратегическую задачу на шахте им. Губкина

- вскрытие тремя новыми вертикальными стволами и освоение запасов нового экс-

плуатационного этажа проектной производительностью 7 млн т/г. сырой руды. Вы-

ход на проектную производительность намечен к 2023 году.

ПАО «Коршуновский ГОК», добывающий актив холдинга ПАО «Мечел», раз-

рабатывает Коршуновское и Рудногорское месторождения в Иркутской области.

Получателем производимого из их руд концентрата является Челябинский метал-

лургический комбинат.

Основным горнодобывающим активом НПРО «Урал» является АО «Высоко-

горский ГОК», который ведет разработку месторождений Высокогорской и Горобла-

годатской групп скарново-магнетитовых руд в Свердловской области. На их базе

функционируют три карьера. Комбинат выпускает агломераты и другую товарную

продукцию, отправляя их на металлургические заводы «Евраз Груп С. А.» в Сверд-

ловской и Кемеровской областях и на Челябинский комбинат.

В Амурской области компания ООО «Уралмайнинг» (входит в китайскую кор-

порацию IRC Ltd.) в 2022 году планирует начать добычу на крупном месторождении

Большой Сэйим, что компенсирует снижение добычи на Куранахском месторожде-

нии вследствие истощения его запасов. Переработку добытых руд будет проводить

обогатительная фабрика ООО «Олекминский рудник» с получением титаномагне-

титового и ильменитового концентратов.

Крупный промышленный кластер на базе Сутарского, Кимканского и Костень-

гинского месторождений, расположенных в Еврейской АО, и Гаринского месторож-

дения, находящегося в Амурской области, создают дочерние структуры китайской

корпорации IRC Ltd. Железорудный концентрат из руд этих месторождений плани-

руется получать на Кимкано-Сутарском ГОКе, входящем в корпорацию. В настоя-

щее время добыча ведется только на Кимканском месторождении.

В Забайкальском крае ОАО ГМП «Забайкалстальинвест» (входит в

АО УК «Союзметаллресурс») отложен ввод в эксплуатацию крупного Чинейского

титаномагнетитового месторождения. Реализация проекта осложняется необходи-

мостью строительства железнодорожной и энергетической инфраструктур, а также

отсутствием технологий переработки ванадийсодержащих титаномагнетитовых

руд с извлечением всех полезных компонентов.

В Республике Саха (Якутия) компания ЗАО «ГМК «Тимир» (совместное пред-

приятие «Евраз Груп С. А.» и Группы «АЛРОСА») приостановила работы по подго-

товке к эксплуатации крупных месторождений железистых кварцитов Таёжной и Та-

рыннахской групп.

Динамика производства железорудного сырья в России представлена в таб-

лице 1.3.

Таблица 1.3 - Статистика производства железорудного сырья, млн т

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

Концентрат

железоруд-

104,0

102,2

102,0

101,9

103,5

105,4

108,8

102,4

101,9

ный

Окатыши

39,0

39,4

39,7

41,0

42,8

44,8

48,2

47,9

51,7

Агломерат

железоруд-

58,8

59,3

60,4

59,4

60,1

59,0

58,3

58,4

ный

Окатыши

металлизо-

2,8

2,7

2,9

2,8

3,0

3,2

ванные

ГБЖ

2,4

2,6

2,4

2,6

2,7

4,0

4,6

Итого ПВЖ

5,2

5,3

5,4

5,7

7,0

7,8

Рост и совершенствование производственных мощностей сталеплавильного

производства предопределяют, что будет расти спрос на материал с высоким

(>90%) содержанием железа, полученный по технологии, отличной от доменного

передела, которую называют прямым восстановлением железа (ПВЖ) или метал-

лизацией. Это в первую очередь связано с ужесточением экологических требова-

ний - как в России, так и за рубежом.

ООО УК «Металлоинвест» является единственным в России производите-

лем металлизованных окатышей и ГБЖ. Важным условием развития производства

ГБЖ являются наличие высококачественного железорудного сырья и доступность

больших объемов природного газа. Дефицит этих ресурсов препятствует росту про-

изводства ГБЖ во многих регионах мира.

Высокие потребительские качества ГБЖ способствуют продвижению этой

продукции на мировом рынке. По оценкам Midrex, авторитетного источника стати-

стики по рынкам металлизованного сырья, прирост мощностей по производству

ГБЖ/ПВЖ в ближайшее десятилетие составит не менее 5 млн т в год, а объем про-

изводства к 2030 году вырастет до 200 млн т. За последние пять лет производство

восстановленного железа выросло почти на 49%. В 2020 году ввода в эксплуатацию

новых крупных предприятий не ожидается, так как намеченные на текущий год за-

пуски заводов Algerian Qatari Steel (AQS) в Алжире и Cleveland Cliffs в США были

отложены из-за коронавируса. Но в 2021 году они будут введены в строй, и это уве-

личит глобальные мощности на 4,4 млн т в год. Кроме того, семь новых модулей

более чем на 7,5 млн т в год строятся в Иране.

ГБЖ - важный компонент при производстве высококачественных марок

стали, способствующий снижению себестоимости продукции металлургического

производства. ГБЖ является продукцией с высокой добавленной стоимостью, что

обусловлено энергоэффективностью и экологичностью процесса производства

ГБЖ, низким содержанием вредных примесей, стабильностью химического состава

(по качеству превосходящего металлолом), а также высокой насыпной массой и от-

сутствием сезонности поставок.

Крупнейшим производителем восстановленного железа является Индия

(33,7 млн т в 2019 году), на втором месте - Иран (28,5 млн т), на третьем - Россия

(8,0 млн т). Более 60% восстановленного железа в мире выпускается по технологии

Midrex. В этом техпроцессе используется природный газ. В то же время в Индии

применяются исключительно угольные технологии.

Основными потребителями продукции металлургической промышленности

являются следующие отрасли: жилищное и инфраструктурное строительство,

транспортное машиностроение, производство машин и оборудования, химическая

промышленность, оборонно-промышленный комплекс, производство посуды, быто-

вой техники и медицинских изделий. Прогнозируемый среднегодовой темп приро-

ста строительства до 2030 года составляет 1,6%. Он будет обеспечен за счет вы-

полнения планов по переселению граждан из аварийных и подлежащих сносу до-

мов, реализации программы «Жилье для российской семьи» государственной про-

граммы «Обеспечение доступным и комфортным жильем и коммунальными услу-

гами граждан Российской Федерации». Транспортная стратегия Российской Феде-

рации до 2030 года предусматривает развитие транспортных систем крупных го-

родских агломераций, обеспечение транспортной доступности Крайнего Севера,

Сибири, Дальнего Востока. Прогнозируемый среднегодовой темп прироста транс-

портного машиностроения до 2030 года составляет 8%. Он базируется на реализа-

ции подпрограммы «Развитие транспортного и специального машиностроения»

государственной программы «Развитие промышленности и повышение ее конку-

рентоспособности». Прогнозируемый среднегодовой темп прироста производства

продукции авиастроительной отрасли до 2030 года составляет 2,0%. Данный про-

гноз базируется на прогнозируемом обновлении российского авиационного парка в

рамках реализации государственной программы «Развитие авиационной промыш-

ленности на 2013-2025 гг.». Прогнозируемый среднегодовой темп прироста произ-

водства продукции тяжелого машиностроения к 2030 году составит 7,1%. Прогно-

зируемый среднегодовой темп прироста производства электрооборудования до

2030 года составляет 4,7%. Данный прогноз базируется на прогнозируемом росте

спроса со стороны промышленности, обновлении мощностей и реализации планов

по строительству атомных электростанций на основе Энергетической стратегии

России на период до 2030 года и государственной программы Российской Федера-

ции «Развитие атомного энергопромышленного комплекса».

Мероприятия по развитию спроса на продукцию отраслей металлургии.

Немаловажным фактором является разработка и реализация мероприятий

по развитию спроса на продукцию металлургических отраслей, принимаемых на

уровне Правительства Российской Федерации и реализуемых федеральными ор-

ганами исполнительной власти совместно с представителями бизнес-сообщества.

Ярким примером является принятие и реализация Плана мероприятий по

стимулированию спроса на продукцию высоких переделов из алюминия на 2016-

2017 гг., утвержденного Председателем Правительства Российской Федерации

Д. А. Медведевым, от 28 ноября 2016 года № 9311 п-П9, который предполагает

утверждение инициатив по тарифным и нетарифным методам регулирования

внешнеэкономической деятельности, разработку предложений по мерам, направ-

ленным на увеличение потребления алюминия в различных сферах деятельности,

совершенствование документов по стандартизации и поддержку отечественных

производителей продукции из алюминия.

Также имеют действие государственные программы стимулирования спроса

за счет стимулирования обновления устаревшего парка и создания мотивации у

владельцев сдавать старую технику (вагоностроение, судостроение, автопром,

сельскохозяйственное машиностроение). Объем необходимых ресурсов для

старта программ - от 500 млрд руб. (на основании данных Rusmet и РБК) [14].

Официальные сведения о воздействии предприятий области

применения ИТС 25 на окружающую среду

Воздействие на окружающую среду отдельных отраслей экономической дея-

тельности получает отражение в Государственных докладах «О состоянии и охране

окружающей среды Российской Федерации», ежегодно публикуемых Министер-

ством

природных

ресурсов

экологии

РФ

(https://www.mnr.gov.ru/docs/gosudarstvennye_doklady/ ), далее - Госдоклады). Пере-

ход к описанию вклада различных источников в загрязнение ОС на основе ОКВЭД

сказался на подходах к анализу и систематизации информации. Факторы воздей-

ствия на ОС процессов добычи и обогащения железных руд получают отражение

преимущественно в разделах, посвященных описанию проблем выбросов загряз-

няющих веществ, водопользования и обращения с отходами; специальной главы

по добыче железной руды в Госдокладах нет [15], [16]. Тем не менее рассмотреть

сведения, публикуемые в докладах федерального и регионального уровней, имеет

смысл, так как именно эти документы составляют основу разнообразных суждений

о вкладе того или иного вида экономической деятельности в загрязнение окружаю-

щей среды и отношения к экологической деятельности предприятий как на уровне

обыденного сознания, так и (нередко) в кругах лиц, принимающих решения. Это об-

стоятельство следует учитывать при анализе приоритетных факторов воздействия

и выявлении наилучших доступных технологий.

В Госдокладе за 2018 год указано, что в общий объем выбросов загрязняю-

щих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников, который соста-

вил в 2018 году 17 068,1 тыс. т, наибольший вклад внесли источники по видам эко-

номической деятельности «добыча полезных ископаемых» - 4 851,4 тыс. т, или

28% от всех выбросов от стационарных источников. Общая масса уловленных и

обезвреженных загрязняющих атмосферу веществ, отходящих от стационарных

источников, в 2018 году составила 46 748,7 тыс. т.

По данным Госдоклада за 2019 год в общий объем выбросов загрязняющих

веществ в атмосферный воздух от стационарных источников, который составил

17 295,1 тыс. т, наибольший вклад внесли источники по видам экономической дея-

тельности «обрабатывающие производства» - 5865,6 тыс. тонн, что составляет

33,9%, и «добыча полезных ископаемых» - 4 851,4 тыс. т, или 28% от всех выбро-

сов от стационарных источников. Общая масса уловленных и обезвреженных за-

грязняющих атмосферу веществ, отходящих от стационарных источников, в

2019 году составила 52013,6 тыс. т.

Относительно полезными можно считать также сведения о значительном

вкладе добычи полезных ископаемых в общий водозабор (4,0 млрд м³ в 2014 году,

4,4 млрд м³ в 2015 году, 5,2 млрд м³ в 2018 году, 5,2 млрд м³ в 2019 году). Общее

количество воды, забранной из природных водных объектов, по Российской Феде-

рации составило в 2018 году 68 033,23 млн м³, в 2019 году - 68299,54 млн м³.

За период с 2014 по 2019 год зафиксировано снижение на 40,5% забора

воды из водных объектов предприятиями, относящимися к виду экономической де-

ятельности «обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондициониро-

вание воздуха» с 39383,3 млн м³ до 23442,35 млн м³. Аналогично сократился водо-

забор по объектам, относящимся к виду деятельности «обрабатывающие произ-

водства», с 4392,12 до 4054,49 млн м³, или на 7,7%. При этом отмечен рост объема

забора воды по следующим видам экономической деятельности:

- «добыча полезных ископаемых» - с 4000,13 до 5214,7 млн м³, или на 30,4%;

- «сельское, лесное хозяйство, охота, рыболовство и рыбоводство» -

с 16289,9 млн м³ до 19482,33 млн м³, или на 19,6%.

В 2019 году потери воды, по данным Федерального агентства водных ресур-

сов, в целом по Российской Федерации составили 6878,75 млн м³. Для вида эконо-

мической деятельности «сельское, лесное хозяйство, охота, рыболовство и рыбо-

водство», как и в 2018 году, в связи со спецификой производственных процессов

отмечен наибольший объем потерь воды - 4180,4 млн м³.

По сравнению с 2018 годом объем потерь воды снизился по некоторым ви-

дам экономической деятельности:

- по «добыче полезных ископаемых» - на 29,9%;

- по «обрабатывающим производствам» - на 4,7%;

- по «сельскому, лесному хозяйству, охоте, рыболовству и рыбоводству» -

на 3,2%.

За период с 2010 по 2019 год отмечена тенденция снижения объема потерь

воды при транспортировке практически по всем видам экономической деятельно-

сти:

- «обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондиционирование

воздуха» - примерно на 91%;

- «добыча полезных ископаемых» - примерно на 60%;

- «обрабатывающие производства» - примерно на 19%.

Показатель сброса сточных вод характеризуется существенной отраслевой

дифференциацией. Значение данного показателя в 2019 году составило

37666,21 млн м³, основной вклад внесли предприятия и организации вида экономи-

ческой деятельности «обеспечение электрической энергией, газом и паром; конди-

ционирование воздуха» - 19264,91 млн м³, или 51,1% от общего объема. Менее су-

щественная доля от общего объема сточных вод приходится на виды экономиче-

ской деятельности «сельское хозяйство, охота, лесное хозяйство, рыболовство

и рыбоводство» (4406,90 млн м³, или 11,7% от общего объема сточных вод), «об-

рабатывающие производства» (2737,84 млн м³, или 7,3% от общего объема сточ-

ных вод), «добыча полезных ископаемых» (1365,76 млн м³, или 3,6% от общего объ-

ема сточных вод).

По сравнению с 2018 годом объем сброса сточных вод снизился по некото-

рым видам экономической деятельности:

- «обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондиционирование

воздуха» - на 12,1%;

- «обрабатывающие производства» - на 9,3%;

- «добыча полезных ископаемых» - на 1,4%.

В Госдокладе отмечено также, что наибольшая доля образования отходов

производства и потребления приходится на вид деятельности «добыча полезных

ископаемых», т. е. на отходы, возникающие при извлечении из недр полезных ис-

копаемых в виде вскрышных и/или вмещающих пород и др. [15, с. 257]. За послед-

ние годы эта доля варьировала в пределах 89-92% от общего количества образо-

вавшихся отходов. В общем количестве образовавшихся в 2019 году в Российской

Федерации отходов производства и потребления (7750,9 млн т) 7257,0 млн т,

или 93,6%, относится к виду экономической деятельности «добыча полезных иско-

паемых». Внимания заслуживает также утверждение о том, что при добыче полез-

ных ископаемых возникают неопасные отходы, относящиеся к V классу опасности

(около 95% от всей массы данного класса отходов в стране). Вместе с тем указано,

что прежде всего отходы образуются при добыче топливно-энергетических ресур-

сов (при извлечении из недр и обогащении каменного и бурого угля).

Для вида деятельности «добыча полезных ископаемых» характерны самые

высокие масштабы переработки отходов: на эту отрасль приходится свыше 91%

всего объема использованных и обезвреженных отходов. В их составе основную

долю занимают вскрышные и вмещающие породы, а также отходы обогащения

(включая песок, глины, скальные породы, шламы и т. д.).

За период с 2010 по 2019 год по большинству рассмотренных видов эконо-

мической деятельности отмечен рост массы утилизированных и обезвреженных от-

ходов производства и потребления по виду экономической деятельности «добыча

полезных ископаемых» - с 1723,6 млн т в 2010 году до 3561,6 млн т в 2018 году,

или в 2,1 раза.

В структуре распределения энергоресурсов за период с 2010 по 2018 год за-

фиксировано повышение общего потребления энергоресурсов с 1043,1 млн т

до 1139,5 млн т условного топлива, или на 9,2%, показатель экспорта при этом уве-

личился с 638,6 млн т до 784,6 млн т условного топлива, или на 22,9%. Объем по-

терь энергоресурсов при добыче, производстве и обогащении возрос в период с

2010 по 2018 год с 60,9 млн т до 96,2 млн т условного топлива, или на 58,0%.

Вопросы рационального использования ресурсов рассматриваются в раз-

деле «Основные экологические проблемы минерально-сырьевого комплекса» [15,

с. 91-102]. Отмечено, что процент извлечения основных полезных компонентов из

минерального сырья при добыче для железа составлял в 1991-2007 гг. 73,5%-

74,8% по Fe общ.; более свежие данные не приводятся. Отмечено, что весьма ве-

лики потери попутно добываемого минерального сырья - вскрышных пород. В ка-

честве примера приведены сведения о карьерах Курской магнитной аномалии, где

ежегодно извлекаются из недр десятки миллионов тонн вскрышных пород, содер-

жащих сланцы, кварциты, пески, глины, суглинки, мел и др., которые могли бы

найти применение в производстве строительных материалов и в сельском хозяй-

стве. К задачам разработки и внедрения новейших ресурсосберегающих техноло-

гий (а это один из критериев отнесения технологий к НДТ) по всему циклу - от до-

бычи через обогащение, металлургический передел и до производства конечной

продукции, а также использования вторичного сырья отнесены, в частности:

- совершенствование систем разработки рудных месторождений с целью сни-

жения потерь полезных ископаемых в недрах и их разубоживания (переход на си-

стемы подземных работ с закладкой выработанного пространства вместо обрушения

пород);

- промышленное внедрение метода скважинной гидродобычи богатых желез-

ных руд Курской магнитной аномалии;

- широкое внедрение геолого-технологического картирования эксплуатируе-

мых рудных месторождений для планирования текущей добычи и усреднения каче-

ства руд перед обогащением, что значительно повышает показатели работы обога-

тительных фабрик и снижает потери полезных компонентов;

- переход на глубокое обогащение с целью повышения качества концентратов,

агломерата, окатышей, при этом дополнительные затраты должны окупаться на по-

следующих стадиях передела (экономия тепла, кокса, флюсов, повышение качества

металла и т. д.);

- комплексное использование добытого рудного сырья с целью извлечения на

рациональной экономической основе попутных ценных компонентов - Cu, Zn, Ni, Со,

Se, Cd, Та, Zr, Au, Ag, Pt, апатита, нефелина, S;

- ревизионное апробирование хвостохранилищ и отвалов на содержание в них

попутных ценных компонентов, переоценка их и при положительных результатах -

проведение геологоразведочных работ с разработкой технико-экономического обос-

нования повторного обогащения накопленных хвостов обогащения и заскладирован-

ных пород;

- более полное использование на экономической основе попутно добываемых

вскрышных пород.

Основная доля природоохранных инвестиций, общий объем которых

в 2019 году составил 175029,3 млн руб., приходится на виды экономической дея-

тельности «обрабатывающие производства» - 68826,4 млн руб., или 39,3%, и «до-

быча полезных ископаемых» - 40243,2 млн руб., или 23,0% от общей суммы инве-

стиций.

Соотношение затрат может служить одним из косвенных показателей по-

рядка приоритетов в природоохранной деятельности всех предприятий, добываю-

щих полезные ископаемые, кроме энергетических (как рудные, так и нерудные).

Таким образом, специальных упоминаний о добыче железных руд в Госдо-

кладах федерального уровня немного, чаще они присутствуют в докладах, публи-

куемых администрациями субъектов Российской Федерации. При этом к основным

источникам воздействия на атмосферный воздух, как правило, относят карьеры по

добыче железной руды и кварцитов, дробильно-обогатительные комплексы, хво-

стохранилища, отвалы вскрышных пород и открытые склады готовой продукции.

Некоторые горнообогатительные комбинаты отнесены к числу крупных источников

загрязнения водных объектов и источников образования отходов производства ре-

гионального уровня (например, [15], [16], [17], [18]).

Следовательно, анализируя текущие уровни эмиссий и потребления ресур-

сов и идентифицируя решения, которые можно отнести к наилучшим доступным

технологиям (см. разделы 3 и 5 настоящего справочника), следует рассматривать

как сбросы загрязняющих веществ со сточными водами и их выбросы в атмосфер-

ный воздух, так и взаимосвязанные вопросы рационального использования ресур-

сов и обращения с отходами производства. Отличительной чертой предприятий,

занятых добычей и обогащением железной руды, является также воздействие на

природные экосистемы, внимание которому частично уделено в «горизонтальном»

справочнике ИТС 16-2016 «Горнодобывающая промышленность. Общие процессы

и методы».

Раздел 2 Описание

технологических

процессов,

используемых в настоящее время на предприятиях области

применения ИТС 25

2.1 Открытая добыча железных руд

Разработка месторождений железных руд - это совокупность взаимосвязан-

ных технологических процессов. Разработка месторождений железных руд ведется

в пределах лицензионного участка на основании утвержденного протокола запасов

и в соответствии с разработанным и прошедшим государственные экспертизы про-

ектом.

Основными процессами открытых горных работ являются: снятие плодород-

ного слоя почвы, производство вскрышных работ, буровзрывные работы, добыча

руды, транспортировка, первичное дробление, складирование отвальных пород.

Снятие и складирование плодородного слоя почвы

В соответствии с основными положениями по восстановлению земель пред-

приятия, разрабатывающие месторождения полезных ископаемых открытым спо-

собом, а также проводящие другие работы, вызывающие нарушение почвенного

покрова (механическое повреждение, загрязнение, затопление), обязаны снимать

и транспортировать к месту укладки (или временного хранения) плодородный слой

почвы и наносить его на восстанавливаемые земли или малопродуктивные угодья.

Горнотехническая рекультивация земель, нарушенных горными работами, начина-

ется со снятия плодородного слоя почвы на всех площадях, отведенных под про-

изводственные объекты предприятия. Снятие плодородного слоя почвы с исполь-

зованием бульдозеров различных моделей является наиболее распространенным.

Плодородный слой снимается последовательными заходками, и создается времен-

ный почвенный штабель. Погрузка почвы производится экскаваторами или погруз-

чиками в транспортные средства. Бульдозер работает по следующей схеме: ма-

шина срезает и перемещает слой почвы в штабель на расстояние, не превышаю-

щее оптимальное расстояние транспортирования, исходя из конструктивных осо-

бенностей оборудования, а затем возвращается в исходное положение, и цикл по-

вторяется.

Более сложен процесс снятия плодородного слоя почв на территориях лес-

ного фонда, проведению которого препятствует наличие древесной и кустарнико-

вой растительности с хорошо развитой, глубоко проникающей корневой системой.

Поэтому снятию плодородного слоя с площадей, занятых лесом, должны предше-

ствовать уборка деловой древесины и мелколесья, раскорчевка территории от пней

и кустарников, разрыв корней. Для выполнения этих работ применяют корчеватели,

кусторезы, бульдозеры и рыхлители. Снятие плодородного слоя с подготовленного

таким образом участка производят бульдозером. Достоинство такой схемы состоит

в возможности применения ее в горных условиях.

В период эксплуатации месторождения при производстве вскрышных работ

плодородный слой почвы срезается бульдозером параллельно или поперечно

вскрышному уступу и сбрасывается на рабочую площадку, затем грузится основ-

ным технологическим оборудованием и вывозится транспортными средствами во

временный отвал или на рекультивируемую площадь. При разработке вскрышного

уступа драглайном последний снимает плодородный слой почвы и складирует в

штабель вдоль железнодорожного пути с последующей погрузкой в технологиче-

ский транспорт. Однако драглайн можно использовать лишь для съема плодород-

ного слоя почвы мощностью не менее 0,5 м.

При наличии автотранспорта его целесообразно использовать для перевозки

плодородного грунта. В этом случае снятый бульдозером плодородный слой соби-

рается в штабель с последующей погрузкой в транспорт погрузчиком. Использова-

ние скрепера в период проведения горнотехнической рекультивации позволяет вы-

полнить ряд последовательных операций одной машиной: снятие, погрузку и транс-

портирование. Технология работ следующая: плодородный слой почвы срезается

при движении скрепера по прямой. Длина участка выбирается с учетом обеспече-

ния полного заполнения ковша скрепера за один проход. Целесообразно срезать

слой мощностью 0,1-0,15 м и шириной, равной 0,3-0,5 длины ковша. Плодородный

слой почвы транспортируется на расстояние, не превышающее 2 км. Скрепер раз-

гружает привезенный грунт слоями заданной мощности. Для увеличения произво-

дительности скрепера снимаемый плодородный слой почвы рыхлят плугом или

рыхлителем. Скрепер используют также для планировки плодородного грунта на

рекультивируемой площади.

Съем плодородного слоя почвы и погрузку его в автотранспорт можно осу-

ществить погрузчиками на гусеничном или пневмоколесном ходу. Погрузчики обла-

дают большой маневренностью, высокой производительностью и применяются на

выемочно-погрузочных работах в карьере. По техническим параметрам погрузчик

может снимать плодородные слои почвы и укладывать их в штабель с последую-

щей погрузкой в транспорт. При использовании погрузчиков площадь, отведенная

для съема почвы, разрабатывается отдельными участками. Обычно длина участка

не превышает 100 м.

Складирование плодородного слоя почвы осуществляется во временные от-

валы или бурты. В буртах плодородный слой почвы может храниться в течение

20 лет. Под бурты обычно отводятся участки, непригодные для ведения сельского

хозяйства, или малопродуктивные угодья, на которых исключаются подтопление,

засоление или загрязнение промышленными отходами, твердыми предметами,

камнем, щебнем, галькой, строительным мусором.

Снятие и складирование плодородного слоя почвы осуществляется в соот-

ветствии с требованием ГОСТ 17.5.3.06-85 и ГОСТ 17.4.3.02-85. Временные от-

валы плодородного слоя почвы размещаются в основном поперек склонов, что пре-

пятствует выносу плодородного слоя почвы ливневыми потоками за пределы

участка, смыву и размыву участка складирования. Снятие, транспортировка и скла-

дирование плодородного слоя почвы выполняются в период естественного увлаж-

нения почвы, что исключает пыление. В случае длительного хранения произво-

дится засев поверхности отвала (бурта) семенами многолетних трав.

Вскрышные работы

Вскрышные работы представляют собой комплекс процессов по удалению

пустых пород для обеспечения доступа к руде. Вскрышные работы подразделяются

на горно-капитальные и текущие. Горно-капитальные работы обычно выполняются

на начальной стадии отработки карьера и представляют собой комплекс работ по

обеспечению первичного доступа к полезному ископаемому путем проходки капи-

тальных траншей и других постоянных вскрывающих или транспортных выработок.

На территории России большинство крупных железорудных карьеров вскрыто же-

лезнодорожными траншеями, предприятия с меньшей производственной мощно-

стью вскрыты автомобильными траншеями. Также при расширении карьеров и уве-

личении их производственных мощностей к горно-капитальным вскрышным рабо-

там относят новые вскрывающие выработки или работы по реконструкции и расши-

рению действующих выработок.

К текущим вскрышным работам относятся работы, производимые на пред-

приятии в период его эксплуатации. К ним относятся обеспечение и поддержание

на нормативном уровне объемов и площадей вскрытых запасов руды, поддержание

фронтов для добычи руды.

Породы вскрыши подразделяются на рыхлую и скальную вскрышу. К рыхлым

породам относятся легкоэкскавируемые породы, выемка которых может произво-

диться без предварительного рыхления буровзрывным методом. Для разработки

мягких вскрышных пород в умеренных климатических условиях при высокой произ-

водительности карьера применяют многоковшовые роторные, цепные экскаваторы

и драглайны с погрузкой на конвейерный, железнодорожный или автомобильный

транспорт.

Роторные экскаваторы представляют собой экскаваторы непрерывного дей-

ствия на гусеничном или шагающе-рельсовом ходовом оборудовании, разрабаты-

вающие породу с помощью рабочих элементов (ковшей, скребков или резцов),

укрепленных на роторном колесе. Ковши, расположенные на роторе, воздействуют

на забой рыхлой вскрыши, срезая стружки породы, транспортируемые внутри экс-

каватора по конвейерным трактам до разгрузочной консоли. Далее порода с раз-

грузочной консоли поступает на внешний конвейер, по которому она транспортиру-

ется на отвалы или склады. Применение роторных экскаваторов обусловлено боль-

шой мощностью рыхлых отложений и возможностью селективной отработки пла-

ста. Применение роторных экскаваторов для выемки рыхлых пород происходит се-

зонно в теплый период года, что исключает смерзание и налипание рыхлых пород

в зимний период.

Наряду с роторными экскаваторами для разработки пород рыхлой вскрыши

применяется гидромеханический способ. Гидромеханическим способом называют

разработку грунта, его транспортировку и укладку при помощи воды. Мощный напор

воды, размывающий рыхлые породы, создается гидромониторной установкой, в ко-

торую входит гидромонитор (стальной ствол, с насадками закрепленный на шар-

нирном соединении), подключенный к магистральным трубопроводам, подающим

воду из насосной станции. Шарнирное соединение дает возможность поворачивать

стальной ствол в вертикальных и горизонтальных плоскостях под большими уг-

лами, выбирая нужное направление забоя. Насадки способствуют формированию

струи с большой кинетической энергией. Эта струя смешивает породы вскрыши с

водой, и получается гидросмесь - пульпа, которая самотеком стекает в приемные

зумпфы. Далее из зумпфов при помощи грунтовых насосов пульпа по трубопрово-

дам (пульпопроводам) транспортируется к местам размещения. Для повышения

производительности гидромониторных установок применяется предварительное

рыхление горных пород буровзрывным или механическим методом. Укладка пород

вскрыши, разрабатываемых гидромониторами, происходит в специальные от-

валы - гидроотвалы или при отсутствии таковых в хвостохранилища обогатитель-

ных фабрик. Гидроотвалы обычно располагаются в естественных понижениях ре-

льефа (балках), ограниченных намывными дамбами, при отсутствии балок дамбы

располагают со всех сторон. Укладка грунта происходит за счет снижения скорости

его перемещения и оседания твердых частиц. Для отвода воды из гидроотвалов

устраивают специальные дренажные колодцы, с которых вода по трубам отводится

за пределы участка или используется в оборотном цикле, т. е. возвращается об-

ратно по напорным водоводам к гидромониторам.

Породы рыхлой вскрыши также разрабатываются экскаваторами-драглай-

нами. Драглайны представляют собой одноковшовые канатные экскаваторы на ша-

гающем или гусеничном ходу. Гибкая подвеска ковша и легкая решетчатая стрела

драглайна обеспечивают наибольший радиус, наибольшую глубину копания, а

также наибольшую высоту выгрузки по сравнению с другими видами рабочего обо-

рудования экскаваторов. Кроме того, драглайны обладают высокой производитель-

ностью. Однако гибкая подвеска ковша не обеспечивает достаточной точности ко-

пания и выгрузки. В основном драглайны применяются на бестранспортной схеме

разработки и только в отдельных случаях с погрузкой в транспорт. Разгрузка пород,

разрабатываемых драглайнами, происходит в железнодорожный или автомобиль-

ный транспорт. Драглайн способен обеспечить высокое усилие копания, при усло-

вии, что в начале хода ковш заглубится в грунт (ковш заглубляется в грунт только

за счет собственной массы), поэтому его используют для отработки рыхлых пород.

Скальные породы представляют собой породы, для экскавации которых тре-

буется предварительное рыхление. Предварительное рыхление скальных пород

осуществляется буровзрывным способом. Отработка пород рыхлой и скальной

вскрыши также производится гидравлическими экскаваторами и экскаваторами

типа механическая лопата. Они представляют собой одноковшовые экскаваторы

на гусеничном ходу и отличаются по типу привода ковша: на механических лопатах

используются канаты и рейки, а на гидравлических экскаваторах - гидравлические

цилиндры. Погрузка пород осуществляется в автосамосвалы или железнодорож-

ные думпкары.

Буровзрывные работы

Буровзрывные работы представляют собой комплекс работ, связанных с

подготовкой скального массива пород к экскавации. Ввиду крепости скальных по-

род их экскавация без предварительного буровзрывного или механического рыхле-

ния не может быть произведена: современным канатным, реечным или гидравли-

ческим экскаваторам не хватает усилия на ковше для разрушения скального мас-

сива пород. Поэтому для подготовки к экскавации плотных, рыхлых, смерзшихся

или скальных горных пород к выемке применяется предварительное рыхление или

механическим способом (фрезы, рыхлители), или буровзрывным способом. Ввиду

большой производительности и конструктивных параметров, таких как высота за-

боя до 15 м, железорудных карьеров механическая подготовка массива нецелесо-

образна и малоэффективна, а порой и технически невозможна.

Развитие буровзрывных работ в карьерах происходило в зависимости от со-

вершенствования средств взрывания и методов бурения скважин для закладки

взрывчатых веществ. Расчет параметров взрывного рыхления базируется на про-

порциональной зависимости разрушенного объема определенной горной породы

от массы заряда взрывчатого вещества. Свойства массива в этом расчете учиты-

ваются через удельный расход взрывчатого вещества, величина которого устанав-

ливается расчетными методами или эмпирически. В настоящее время на всех же-

лезорудных карьерах используется буровзрывной способ рыхления массива, осно-

ванный на методе скважинных зарядов. Взрывчатое вещество закладывается непо-

средственно в скважины, пробуренные буровыми станками в массиве пород.

Бурение скважин производится преимущественно станками шарошечного бу-

рения (СБШ), которые получили наибольшее распространение на открытых горных

работах при добыче железной руды. Шарошечное бурение - способ бурения сква-

жин с использованием шарошечного долота. Станки шарошечного бурения по прин-

ципу действия относятся к вращательным, разрушение породы в забое скважины

происходит в результате скалывания породы в местах контакта поверхностного

слоя с зубьями головки рабочего органа станка - шарошки. Шарошка привинчива-

ется на буровой став трубчатых штанг. Конструктивно шарошки выполняются трех

видов: с зубчатыми венцами, штыревые из твердого сплава и комбинированные.

Первые предназначены для бурения средних по крепости пород, вторые - крепких,

третьи - разнопрочных. Сами штыри в зависимости от крепости и вязкости пород

имеют рабочую поверхность в виде клина или полусферы. Очистка скважины от

буровой мелочи и охлаждение шарошек производятся продувкой сжатым воздухом,

подаваемым к шарошке по полостям буровых штанг. Продукты бурения улавлива-

ются специальными устройствами, установленными на станке. Станки могут бурить

вертикальные и наклонные скважины диаметром от 150 до 320 мм. Давление на

забой зависит от веса и конструктивных особенностей станка. Оно передается от

станка через буровой став. Диаметр взрывных скважин зависит от многих факторов:

категории буримости породы, расстояния между скважинами, наличия трещин в

массиве горных пород, характеристик взрывчатого вещества, объема заполнения

скважины взрывчатым веществом и др. Горнорудные предприятия определяют для

себя оптимальный диаметр бурения, исходя из опыта проведения буровзрывных

работ и научно-исследовательских работ. Зачастую на предприятии имеются

станки с разным диаметром бурения, применяемые в тех или иных условиях и для

бурения определенного типа горных пород. Бурение скважин происходит через

определенное расстояние, называемое сеткой скважин бурения. Размеры сети бу-

рения отличаются в зависимости от типа пород, диаметра скважин, применяемого

взрывчатого вещества и варьируются в широком диапазоне от 4 × 4 м до 9 × 8 м.

На практике пробуренные скважины объединяются во взрывные блока, т. е. проис-

ходит взрывание не единичной скважины, а в составе блока с применением корот-

козамедленного взрывания, что позволяет максимально эффективно использовать

энергию, высвобождающуюся при инициировании взрывчатого вещества.

При бурении скважин с высокой обводненностью (более 80%) применяется

бентоглина для затирки устья и колонок скважин. Для предотвращения обрушения

верхней части устья скважины применяются обсадные трубы: гофрированные пла-

стиковые и трубы из плотного картона. Диаметр труб - от 140 до 311 мм.

Сущность метода скважинных рядов заключается в размещении взрывчатого

вещества в наклонных или вертикальных скважинах с забойкой (заполнением)

верхней части инертными материалами из песка, буровой мелочи или забоечного

материала специального состава. Скважины располагаются в один или несколько

рядов параллельно верхней бровке уступа и размещаются друг от друга на расчет-

ном расстоянии по прямоугольной сетке или в шахматном порядке. Расстояние от

первого ряда скважин до верхней бровки уступа должно обеспечивать безопас-

ность размещения бурового станка на уступе и рабочих по заряжанию скважин. Рас-

стояние между скважинами выбирается таким образом, чтобы разрушения в мас-

сиве от каждой скважины перекрывали друг друга. Заряжание скважин, помещение

внутрь скважины взрывчатого вещества осуществляется специализированными

смесительно-зарядными машинами, доставляющими компоненты взрывчатых ве-

ществ из цеха по их изготовлению непосредственно на подготовленный для заря-

жания блок. Патрон-боевик, который служит для инициации взрывчатого вещества

в каждой скважине, располагается внутри скважины обычно в самом низу. Это обес-

печивает совпадение направления детонации заряда взрывчатого вещества и

направления разрушения массива, а также лучшую проработку подошвы. Заряд в

скважине может быть сплошным и рассредоточенным по высоте воздушным про-

межутком или инертным материалом. Рассредоточение заряда позволяет увели-

чить эффективность использования взрывчатого вещества для дробления за счет

более равномерного распределения взрывчатого вещества (ВВ) в массиве. За-

бойка скважин, т. е. заполнение пространства между ВВ, производится забоечными

машинами или вручную. В качестве забоечного материала применяются песок, от-

сев, буровой шлам или вода (гидрозабойка). Доставка ВВ со склада или завода в

карьер обеспечивается специальным и специализированным автотранспортом.

Для производства взрывных работ могут применяться ВВ, поставляемые

предприятиям специализированными заводами-изготовителями, или ВВ собствен-

ного изготовления, если на предприятии существуют заводы по изготовлению ВВ.

При этом для ведения взрывных работ могут применяться и другие ВВ, допущен-

ные Ростехнадзором для работы в железорудных карьерах. Наибольшее распро-

странение на открытых горных работах в железорудных карьерах получило приме-

нение ЭВВ (эмульсионное взрывчатое вещество) 99,9% от общего объема ВВ - во-

доустойчивое, с кислородным балансом, близким к нулевому. Взрывание произво-

дится при помощи детонирующего шнура и неэлектрических средств инициирова-

ния. Применяется многорядное, короткозамедленное взрывание с использованием

пиротехнических замедлителей. Инициирование скважинных зарядов произво-

дится посредством промежуточных детонаторов, изготовленных из шашек-детона-

торов и изделий неэлектрических средств инициирования или детонирующего

шнура.

В соответствии с процессами, производимыми в карьере, взорванная горная

масса по крупности дробления должна соответствовать следующим требованиям:

- максимальный размер кусков, исходя из вместимости ковша экскаватора;

- максимальный размер кусков, исходя из вместимости транспортных сосу-

дов;

- максимальный размер кусков, исходя из принятой технологии получения

концентрата, например, от размера отверстия приемного бункера дробилки.

Взрывные работы на карьерах осуществляются на основании типового про-

екта буровзрывных работ для зоны карьера с одинаковыми свойствами. Для кон-

кретного взрываемого блока составляют паспорт буровзрывных работ, который

утверждается главным инженером карьера. Основой типового проекта являются

утвержденный технический проект разработки месторождения, результаты экспе-

риментальных и промышленных взрывов, новейшие литературные данные, произ-

водственный опыт по взрывным работам в аналогичных условиях и Федеральные

нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности

при взрывных работах». В паспорте обязательно предусматривается расчет вели-

чины опасной зоны по сейсмическому воздействию массового взрыва на здания и

сооружения. Если радиус зоны сейсмического воздействия взрыва больше рассто-

яния до сохраняемого объекта, предусматривается разделение общего заряда на

части с интервалом замедления взрывов.

Организация буровзрывных работ предусматривает такой порядок их произ-

водства, который обеспечивает минимальные простои горнотранспортного обору-

дования и связанные с ним технологические цепочки. Всего в течение года на ка-

рьере осуществляется множество массовых взрывов, частота взрывов меняется в

зависимости от производительности карьера и организации работ, подготовки пло-

щадок под бурение и блоков под взрывание. Объемы взрываемого блока просчи-

таны на усредненные горно-геологические условия, в процессе эксплуатации рас-

считывается каждый конкретный взрыв, при котором объем массового взрыва и ко-

личество взрывчатого вещества соответствуют проектным параметрам. Преду-

сматривается проведение взрывных работ в две стадии:

- первичное (основное) взрывание, обеспечивающее требуемое качество

рыхления вскрышных пород перед их экскавацией; осуществляется с использова-

нием скважинных зарядов взрывчатых веществ (ВВ);

- вторичное (вспомогательное) взрывание; производится в случае необходи-

мости, для дробления негабаритных кусков породы, выравнивания подошвы уступа

и т. п.

Добыча руды

Добычные работы представляют собой комплекс процессов по извлечению

руды из массива горных пород. Добыча руды в железорудных карьерах осуществ-

ляется экскаваторным способом. Основное распространение на добыче руды по-

лучили одноковшовые экскаваторы типа ЭКГ (экскаватор карьерный гусеничный) с

объемами ковша от 5 до 20 м³ и гидравлические экскаваторы типа прямая лопата

с вместимостью ковша до 30 м³.

Процесс экскавации руды из массива заключается в срезании стружки режу-

щей кромкой ковша, повороте экскаватора к месту разгрузки, разгрузке ковша и воз-

вращении рабочего органа в забой. Выемка взорванной горной массы крепких по-

род осуществляется заглублением ковша в развал. По средствам перемещения ру-

кояти с ковшом современные экскаваторы разделяются на канатные и гидравличе-

ские. Черпание у канатного экскаватора происходит благодаря усилию напорного

механизма, расположенного на стреле, и его подъемных канатов от подъемных ле-

бедок. Траектория черпания при этом сохраняется постоянной. Начинается она в

нижней части забоя. У гидравлического экскаватора траектория черпания может

быть разнообразной благодаря особому соединению рукояти со стрелой и допол-

нительному механизму поворота ковша на конце рукояти. Этим обеспечивается бо-

лее эффективное использование энергии для внедрения и наполнения ковша. Во

взорванном массиве руды черпание начинается с нижней части забоя, при этом

образуется как бы вруб для дополнительного разрыхления горной массы самооб-

рушением. При оборудовании гидравлического экскаватора обратной лопатой он

имеет возможность обеспечить нижнее черпание. Существенным достоинством

гидравлических экскаваторов является информация через рычаг управления об

усилиях на исполнительных органах машины. Это обеспечивает большую надеж-

ность их работы и позволяет машинисту выбирать оптимальные траектории для

черпания. Ковши гидравлических экскаваторов шире, чем канатных, поэтому при

расчете буровзрывных работ для получения оптимального состава горной массы

для экскавации гидравлическим экскаватором необходимо принимать меньший

размер ковша в плане. Разгрузка у гидравлического экскаватора осуществляется

опрокидыванием или раскрытием ковша. У канатного экскаватора разгрузка осу-

ществляется отрыванием днища ковша над местом разгрузки. Разгрузка руды осу-

ществляется в автосамосвалы или железнодорожные думпкары.

Для канатных механических лопат радиусы и высоты черпания и разгрузки

изменяются с изменением угла наклона стрелы, которая устанавливается под уг-

лом 45°. Габариты определяются по максимально выступающим частям экскава-

тора. Рабочие параметры экскаватора обусловливают параметры забоя и техноло-

гическую схему его работы. При установлении ширины забоя механической лопаты

определяющим является радиус черпания на уровне стояния. Максимальная про-

изводительность экскаватора достигается при минимуме передвижек в забое и воз-

можно меньшем среднем угле поворота экскаватора от места черпания к пункту

разгрузки. При погрузке руды в средства транспорта на уровне стояния экскаватора

ширина тупиковой заходки определяется с учетом размещения транспортных ком-

муникаций и схемы подачи транспортных средств под погрузку. Высота забоя огра-

ничивается высотой черпания экскаватора. Минимальная высота забоя механиче-

ской лопаты принимается из условия наполнения ковша за одно черпание. Угол от-

коса поверхности забоя зависит от свойств разрабатываемого массива и состав-

ляет 70°-80°. При разработке забоя с погрузкой горной массы в средства железно-

дорожного транспорта ось железнодорожного пути располагают на расстоянии 0,8

максимального радиуса черпания от оси экскаватора. При автомобильном транс-

порте автосамосвалы могут располагаться сбоку или позади экскаватора в зоне

разгрузки ковша с минимальным углом разворота от места черпания. По условию

безопасности ковш не должен перемещаться над кабиной водителя. При конвейер-

ном транспорте горная масса загружается экскаватором в бункер-питатель, кото-

рый располагается сбоку экскаватора или внутри заходки позади экскаватора.

Техническая производительность механических лопат зависит от вместимо-

сти ковша, длительности цикла и свойств разрабатываемых горных пород, которые

влияют на длительность операции черпания и наполнения ковша. Рабочий цикл

экскаватора складывается из операций: черпания, выведения ковша из забоя, по-

ворота его к месту разгрузки, подъема или опускания ковша на уровень разгрузки,

возвращения ковша в забой и установки его для черпания. Операции выведения

ковша из забоя и установки его на уровень разгрузки выполняются во время пово-

рота его к месту разгрузки. Во время поворота экскаватора в забой выполняется

операция опускания ковша к месту начала черпания.

Транспортировка

Транспортирование карьерных грузов является наиболее энергоемким про-

изводственным процессом на железорудных карьерах. Исходя из существа откры-

тых горных разработок, перевозке подлежат: вскрышные породы, руда и матери-

алы для производства горных работ. Для перевозки карьерных грузов использу-

ются почти все известные виды транспорта: непрерывного действия (конвейерный,

трубопроводный); цикличного действия (железнодорожный, автомобильный). Каж-

дый вид транспорта обладает своей специфичностью, поэтому для эффективного

использования в зависимости от горнотехнических условий он может применяться

в грузопотоках в единственном виде или в комбинации с другими.

В настоящее время наибольшее количество горной массы на железорудных

карьерах перевозится автомобильным и железнодорожным транспортом и их ком-

бинацией, в меньшей степени используется конвейерный и трубопроводный транс-

порт.

Конвейерный и трубопроводный транспорт относится к транспорту непрерыв-

ного действия. Он обеспечивает поточность производства горных работ, автомати-

зацию управления и высокую производительность труда. Сочетание его с выемочно-

погрузочной и отвалообразующей техникой позволяет создавать полностью автома-

тизированные высокопроизводительные комплексы для разработки горных пород.

Примеры таких комплексов - роторные или многоковшовые экскаваторы с конвейер-

ным транспортом, с транспортно-отвальным мостом или отвалообразователем, гид-

равлические комплексы из гидромониторов или земснарядов и трубопроводного гид-

равлического транспорта. Применение комплексов непрерывного действия для раз-

работки горных пород на карьерах упрощает грузопотоки и повышает степень ис-

пользования оборудования на карьере. Конвейерный транспорт является относи-

тельно молодым видом транспорта на карьерах, хотя для перемещения пород, осо-

бенно сыпучих, он используется давно. На карьерах для транспортирования мягких,

дробленых, скальных и полускальных горных пород получили распространение лен-

точные конвейеры. Принцип их работы заключается в перемещении горной породы

на конвейерной ленте, которая приводится в движение тяговым устройством. Лента

при своем движении опирается на роликовые опоры, которые закреплены на раме

конвейера. Конвейер состоит из отдельных секций (ставов) с приводом и натяжным

устройством. Длина конвейерного става зависит от прочности ленты и конструктив-

ных особенностей конвейера. По назначению и месторасположению в карьере кон-

вейерный транспорт разделяется на забойный, сборочный, подъемный, магистраль-

ный и отвальный. Забойные конвейеры располагают на рабочей площадке уступа.

Они предназначены для транспортирования горной массы от экскаватора до сбороч-

ного конвейера. Вследствие того, что фронт работ в карьере постепенно подвига-

ется, конструкции забойных секций конвейеров предусматривают параллельное их

перемещение. Сборочные (передаточные) конвейеры располагают в торцевых ча-

стях карьера. Они предназначены для транспортирования горной породы от одного

или нескольких забойных конвейеров к подъемнику. Сборочные конвейеры переме-

щают вслед за забойными конвейерами параллельно их оси. Подъемные конвейеры

располагают в нерабочей или временно нерабочей зоне карьера (в траншеях или

подземных наклонных выработках). Они предназначены для доставки горной массы

из рабочей зоны карьера на поверхность. Подъемный конвейер принимает горную

массу от сборочного конвейера при обычной конструкции под углом до 18°, а при

специальной - до 50° и транспортирует ее по борту карьера на поверхность. Подъ-

емный конвейер имеет более мощный привод и конструкцию, предусматривающую

практически стационарное его расположение. Эффективность и безопасность транс-

портирования скальной горной массы под углом более 14° и мягких горных пород под

углом более 18° обеспечиваются рифлением поверхности ленты, использованием

прижимной ленты или цепной сетки, которые препятствуют скатыванию породы при

движении ее под наклоном. Магистральные конвейеры располагают на поверхности

карьера и имеют стационарную конструкцию. Они предназначены для транспортиро-

вания пород вскрыши к отвалам, а полезного ископаемого - на обогатительную фаб-

рику или к складам. Отвальные конвейеры располагают на отвалах. По характеру

своей работы они аналогичны забойным конвейерам, т. е. перемещаются вслед за

отвальным фронтом. Исследования показывают, что наибольшей эффективностью

транспортирования горной массы из карьера под большим углом наклона имеют кон-

вейеры с прижимной лентой, с поперечными перегородками и гофрированными бор-

тами и трубчатые. Крутонаклонный конвейер с поперечными перегородками имеет

бельтинговую основу с армированной сеткой из стального корда для поперечной

жесткости при большой ширине ленты. Горизонтальная устойчивость достигается за

счет поперечных перегородок различной формы в зависимости от конкретных усло-

вий, вида и угла подъема горной массы. По краям ленты по всей ее длине имеются

резиновые борта. Загрузочная часть такого конвейера располагается на горизон-

тальном участке, угол наклона подъемного участка может достигать 90°, скорость

движения ленты от 2,3 до 8 м/с.

Трубопроводный транспорт является транспортом непрерывного действия.

На железорудных карьерах он представлен гидравлическим транспортом. Являясь

самым эффективным, но имеет большие ограничения применения по климатиче-

ским условиям (сезонность работы), свойствам транспортируемых пород (мягкие

горные породы и частично дробленые полускальные) и наличию водоисточников.

Гидравлический транспорт горных пород на карьере, как и конвейерный, позволяет

объединить в непрерывный поток выемку, доставку и отвалообразование, создавая

автоматический гидравлический комплекс. Гидротранспорт - это перемещение

смеси мягких или дробленых полускальных горных пород по трубам в воде с крити-

ческой скоростью, создаваемой работой гидромонитора и грунтового насоса. Смесь

воды с породой называется пульпой. Пульпа транспортируется от забоев по напор-

ным трубопроводам к местам разгрузки (отвалообразования, замыва).

Железнодорожный транспорт является наиболее распространенным транс-

портом на железорудных карьерах благодаря его высокой надежности в любых кли-

матических условиях, высокой производительности и эффективности в эксплуата-

ции. Принцип работы железнодорожного транспорта заключается в перемещении

электровозами или тепловозами горных пород в думпкарах из забоев к месту раз-

грузки. Число думпкаров в составе рассчитывается по тяговым характеристикам ло-

комотива и геометрии пути (уклоны и радиусы). Железнодорожные пути разделя-

ются на передвижные и постоянные. К передвижным относятся пути на рабочих

площадках в карьере и на отвале. К постоянным относятся пути в траншеях, на

транспортных бермах и на поверхности карьера. Передвижной путь периодически

перемещается вслед за перемещением фронта работ в карьере или на отвале.

Скорости железнодорожного транспорта в карьере по постоянным путям перегонов

составляют 35-40 км/ч, по забойным и станционным путям - 15-20 км/ч. Думпкар

представляет собой мощную платформу, способную выдерживать большие дина-

мические нагрузки при разгрузке ковшей экскаватора. Разгрузка думпкара осу-

ществляется наклоном его в одну или другую сторону с помощью пневматических

цилиндров. При этом борт думпкара в сторону наклона откидывается или поднима-

ется рычажным механизмом. В качестве локомотивов на карьерах применяют тяго-

вые агрегаты (электровозы специального вида) и в некоторых случаях тепловозы.

Тяговый агрегат имеет специальную конструкцию, способную обеспечить эффек-

тивную работу железнодорожного транспорта в карьерных условиях, характеризу-

ющихся большой интенсивностью движения, сложностью трасс с малыми радиу-

сами закруглений, большими уклонами на подъемах, наличием передвижных за-

бойных и отвальных путей, большой грузоподъемностью составов и неблагоприят-

ными климатическими условиями. Питание тяговых агрегатов осуществляется от

контактной сети (или троллеи) через токоприемники (пантографы). В местах по-

грузки горной массы в забоях троллея располагается сбоку от железнодорожного

пути, поэтому тяговые агрегаты оборудуются дополнительными боковыми токо-

съемниками. Чтобы исключить трудности эксплуатации контактной сети на рабочей

площадке и на отвале, тяговый агрегат может иметь небольшую дизель-генератор-

ную установку, которой достаточно, чтобы перемещать состав по забойным гори-

зонтальным путям с небольшой скоростью. Технология работы железнодорожного

транспорта заключается в перевозке горной массы к местам разгрузки. По прибы-

тии груженого состава от экскаватора на станцию обмена с нее к экскаватору в за-

бой направляется под погрузку порожний состав. Ввиду того, что на карьере в ра-

боте находится много экскаваторов, информация о состоянии погрузки составов

централизована. Она накапливается у диспетчера через системы диспетчеризации

и позиционирования подвижного состава. Составы под погрузку в забой и под вы-

грузку на отвал подаются вагонами вперед. Погрузку начинают с последнего вагона

и периодически передвигают состав по сигналу машиниста экскаватора. Разгрузка

на отвале начинается с первого вагона поезда. После отработки заходки на гори-

зонте или заполнения полосы на отвале железнодорожные пути передвигаются.

Передвижка пути при разработке скальных пород является многооперационным

трудоемким процессом. Он выполняется в зависимости от механизации с разбор-

кой пути или без нее. Процесс передвижки пути с разборкой заключается в плани-

ровке трассы, разборке звеньев пути и последовательном их перемещении желез-

нодорожным краном на новую трассу, перемещении опор контактной сети, соеди-

нении звеньев, рихтовке по оси и выравнивании пути в горизонтальной плоскости,

подштопке и устранении повреждений крепления рельсов к шпалам, которые про-

исходят при отрыве шпальной клетки от земляного полотна (особенно в зимнее

время).

Автомобильный транспорт имеет широкое распространение на железоруд-

ных карьерах благодаря его автономности, мобильности, высокой эффективности

работы в сложных топографических, геологических и суровых климатических усло-

виях. Наиболее эффективная область применения автомобильного транспорта -

карьеры малой и средней производительности, глубокие горизонты крупных карье-

ров в комбинации с железнодорожным транспортом. Принцип работы автомобиль-

ного транспорта заключается в перемещении горной массы из забоев к пунктам

приема горной массы по автодороге и ее разгрузке. Автомобильные дороги в карь-

ере разделяются на капитальные и временные. Капитальные дороги сооружаются

на стационарных участках трассы на поверхности карьера, в траншеях и транспорт-

ных бермах. Временными являются забойные дороги в забоях, на рабочей пло-

щадке, на скользящих съездах и на отвалах. Технология работы автомобильного

транспорта на карьере заключается в перевозке из карьера вскрыши, некондицион-

ных руд на отвалы и спецсклады, руды - на перегрузочные пункты, в случае комби-

нированного автомобильно-железнодорожного транспорта - на склады, дробиль-

ные комплексы в карьере или к бункерам обогатительной фабрики. Вследствие вы-

сокой стоимости автотранспортных средств его простои, как и простои выемочно-

погрузочной техники, должны быть минимальными. Для их уменьшения на карьерах

используют два вида организации работ автотранспорта: с закреплением опреде-

ленного количества самосвалов за экскаватором в течение смены и без закрепле-

ния с подачей машины под погрузку каждый раз по команде диспетчера исходя из

систем диспетчеризации и позиционирования автосамосвалов. Основным направ-

лением совершенствования автомобильного транспорта является увеличение его

грузоподъемности и надежности работы, уменьшение выброса в атмосферу вред-

ных компонентов выхлопных газов. Увеличение надежности работы автосамосва-

лов развивается в двух направлениях - совершенствование конструкций машин и

их узлов и улучшение дорожных условий. Для уменьшения выброса в атмосферу

вредных компонентов применяют различные конструкции поглотителей или дожи-

гателей выхлопных газов. К уменьшению загазованности в карьере ведет примене-

ние газотурбинных двигателей и троллейвозов. Одним из коренных путей уменьше-

ния загазованности является применение в качестве топлива сжиженных горючих

газов, при сжигании которых образуется меньшее количество выбросов вредных

веществ.

Первичное дробление

Под процессом первичного дробления понимается наличие в карьере или на

его борту дробильного комплекса, который служит для первичного дробления руды

или вскрышной породы. В железорудных карьерах первичное дроблений использу-

ется для возможности последующей транспортировки дробленого материала кон-

вейерным транспортом или возможности первичного обогащения руды непосред-

ственно в карьере или на его борту. Комплекс первичного дробления состоит из

приемных бункеров, принимающих руду или породу от автосамосвалов, под прием-

ными бункерами располагаются дробилки крупного дробления (конусные, реже ще-

ковые), позволяющие дробить руду или породу крупностью до 1500 мм. На выходе

с дробильных установок крупность руды не превышает 300-400 мм, что позволяет

производить ее дальнейшую транспортировку конвейерным транспортом. Также

после дробилок первой стадии могут располагаться грохоты или дробилки второй

стадии, обеспечивающие дробление руды до крупности 150-200 мм, что позволяет

транспортировать ее крутонаклонными конвейерами. Первичное дробление ис-

пользуется при комбинированном автомобильно-конвейерном транспорте и явля-

ется частью конвейерного комплекса. Руду или породу из забоя доставляют авто-

мобильным транспортом до дробилки и после нее транспортируют подъемным кон-

вейером на борт карьера и дальше магистральным конвейером на отвал, руду - на

обогатительную фабрику.

Обращение со вскрышными породами

Отвалообразование и складирование являются заключительными техноло-

гическими процессами в разработке горных пород на карьерах. Насыпь пустых по-

род называется породным отвалом, насыпи пород плодородного слоя, некондици-

онных руд и полезного ископаемого - складами или спецотвалами. Породные от-

валы различают по месторасположению относительно контура карьера, числу яру-

сов отсыпки и средствам механизации отвальных работ. При разработке горизон-

тальных и пологих месторождений отвалы располагают в выработанном простран-

стве внутри контура карьера. Эти отвалы называются внутренними. При разработке

наклонных и крутых месторождений отвалы располагают на поверхности за конту-

ром карьера, поэтому они называются внешними. Отвалы отсыпают в один или не-

сколько ярусов. Высота яруса определяется устойчивостью, которая зависит от

свойств складируемых пород, рельефа поверхности, гидрогеологических, климати-

ческих условий и технологии отвалообразования. В каждом конкретном случае с

учетом этих факторов устанавливается высота яруса, она указывается в проекте.

Увеличение высоты яруса снижает затраты на отвалообразование за счет умень-

шения путевых работ и повышения производительности средств механизации от-

валообразования. Складирование полезного ископаемого обычно производится с

целью усреднения качества и создания резерва для последующей переработки или

отгрузки потребителю. Механизация отвальных работ и складирование зависит от

свойств горных пород и связана с видом транспорта, используемым для перевозки

горной массы из карьера. Отвалообразование мягких горных пород при конвейер-

ном транспорте производится транспортно-отвальными мостами, консольными от-

валообразователями, при железнодорожном транспорте - драглайнами, при авто-

мобильном транспорте - бульдозерами. Технология отвалообразования при же-

лезнодорожном транспорте заключается в экскавации разгружаемой из думпкаров

породы и укладке ее в отвал одноковшовыми экскаваторами драглайнами. Экска-

ватор располагается ниже уровня железнодорожных путей на высоту разгрузки экс-

каватора. Порода из думпкаров разгружается в углубление, сооружаемое самим

экскаватором. После разгрузки породы экскаватор производит укладку ее сначала

в нижний подуступ, а затем в верхний. С учетом усадки пород в отвале верхний

подуступ отсыпается высотой, несколько превышающей уровень железнодорож-

ного пути. Применение одноковшовых экскаваторов обеспечивает надежность от-

валообразования крепких пород. Пути совершенствования этого способа связаны

с применением новых схем отвалообразования, применением экскаваторов с уве-

личенными рабочими параметрами и повышением степени использования отваль-

ных тупиков. Укладка крепких горных пород в отвалы при доставке автомобильным,

а иногда и железнодорожным транспортом производится мощными бульдозерами.

Автосамосвалы разгружаются на некотором расстоянии от бровки по периферии

отвала. Бульдозеры перемещают ее под откос, оставляя на бровке предохрани-

тельный вал. Для безопасности поверхность отвала имеет подъем в сторону от-

коса, равный 3°. Для обеспечения возможности одновременной работы автотранс-

порта и бульдозеров отвал разделяют на участки. На одних участках производится

разгрузка автосамосвалов, на других - перемещение уже разгруженной породы под

откос. Высота отвала зависит от свойств складируемых пород и основания отвала.

В равнинной местности высота бульдозерного отвала принимается равной 25-

30 м.

Руды, по своим кондициям не отвечающие в настоящее время требованиям

переработки или потребителей, укладываются в отдельные отвалы. Технология от-

валообразования и комплексная механизация аналогичны отвалообразованию пу-

стых пород. Отвалы некондиционных ископаемых отличаются месторасположе-

нием и параметрами. Месторасположение выбирается вблизи будущего предприя-

тия по переработке, исходя из возможности транспортной связи с ним. Высота от-

вала должна быть кратной высоте уступа при его разработке. Аналогично склади-

руются попутные полезные ископаемые, не используемые в данный момент потре-

бителем.

При трубопроводном транспорте пустых пород их размещение производится

в гидроотвалы. Гидроотвалы представляют собой огороженные водонепроницае-

мыми дамбами естественные понижения рельефа, балки, овраги, выработанные

пространства карьеров, и располагаются в границах земель, малопригодных для

сельскохозяйственных целей. Заполнение (замыв) гидроотвалов происходит из

напорных трубопроводов, которые перемещают по телу гидроотвала для его рав-

номерного заполнения. Твердые частицы и взвесь постепенно осаждаются на дно,

а отстоявшаяся вода возвращается обратно в цикл работы напорного гидротранс-

порта [1], [2].

Также применяется совместное складирование рыхлой и скальной вскрыши,

определенное проектом, и выполняется согласно паспорту отвалообразования. Со-

отношение рыхлой и скальной вскрыши, складируемой в отвалы, в соотношении

25% рыхлой вскрыши к 75% скальной, при скорости продвижения фронта отвала не

более 3 м в сутки, с целью обеспечения устойчивости отвалов и безопасного сов-

местного складирования.

Общая блок-схема процессов открытых горных работ приведена на ри-

сунке 2.1. В таблице 2.1 приведен перечень основного оборудования, применяе-

мого при открытой разработке железорудных месторождений.

Таблица

2.1 - Основное оборудование открытой разработки железорудных

месторождений

Наименование

Существенные характеристики тех-

Назначение оборудования

оборудования

нологического оборудования

Бульдозеры

Снятие плодородного слоя

Масса оборудования

почвы, подготовка площа-

Мощность двигателя

док под бурение скважин,

Геометрические размеры отвала

зачистка забоев, поддер-

жание дорожной сети

Скреперы

Снятие плодородного слоя

Мощность двигателя

почвы

Емкость кузова

Скорость движения

Буровые станки

Бурение скважин для про-

Усилие на массив

изводства взрывных работ

Глубина бурения

Скорость бурения

Экскаваторы

Экскавация горной массы

Объем ковша

и погрузка в технологиче-

Глубина (высота) черпания

ский транспорт

Напор на забой

Фронтальные погрузчики

Экскавация горной массы

Объем ковша

и погрузка в технологиче-

Скорость движения

ский транспорт, вспомога-

Высота разгрузки

тельные работы

Железнодорожный транс-

Транспортирование гор-

Сцепная масса

порт

ной массы (руды на фаб-

Угол подъема

рику, вскрышных пород на

отвалы)

Автосамосвалы

Транспортирование гор-

Грузоподъемность

ной массы (руды на фаб-

Скорость движения

рику, вскрышных пород на

Преодолеваемый угол подъема

отвалы)

Конвейерный транспорт

Транспортирование гор-

Производительность

ной массы (руды на фаб-

Ширина ленты

рику, вскрышных пород на

Скорость движения

отвалы)

Угол подъема

Дробилки

Первичное

дробление

Производительность

руды для возможности

Максимальный размер куска пита-

транспортирования кон-

ния

вейерным транспортом

Размеры выходной фракции

Интенсивное пыле- и газообразование происходит во время следующих про-

цессов: бурение скважин, взрывание и погрузка взорванной горной массы, транс-

портировка, погрузка и перегрузка руды и породы, дробление.

Основной фактор воздействия на водную среду - сброс поверхностных и

шахтных вод, загрязненных взвешенными частицами и растворенными химиче-

скими веществами, и естественный сток с породных и рудных отвалов. Кроме того,

при осушении карьеров дренажными шахтами в подземных условиях загрязняются

дренируемые грунтовые воды, а при откачке шахтной воды образуются депресси-

онные воронки, радиус которых может достигать десятков километров.

Горный и земельный отвод с поверхностным комплексом зданий и сооруже-

ний, отвалы, очистные сооружения и прочее занимают значительные территории,

которые используются продолжительное время.

2.2 Подземная добыча железных руд

Подземная разработка месторождений железных руд (как и прочих полезных

ископаемых) осуществляется с использованием подземных горных выработок под

толщей перекрывающих пород.

В горном деле эксплуатация каждого рудника является уникальной.

Подземным способом разрабатывают рудные тела различных форм, мощно-

сти, углов падения, залегающие на разных глубинах.

В настоящее время подземную добычу железных руд осуществляют на глу-

бине, измеряемой как сотнями метров, так и более километра.

Подземная разработка месторождений состоит из трех стадий: вскрытия,

подготовки и очистной выемки. В начале разработки месторождения эти стадии вы-

полняются во времени последовательно, а затем совмещаются.

Планомерная и эффективная разработка месторождения возможна при

условии строгой увязки во времени и пространстве вскрытия, подготовки и очистной

выемки и при обеспеченности рудника достаточными запасами вскрытого, подго-

товленного и готового к выемке полезного ископаемого.

Входные и выходные потоки и основное технологическое оборудование

вскрытия (этапы подземной разработки железорудных месторождений) приведены

в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Входные и выходные потоки и основное технологическое

оборудование вскрытия (этапы подземной разработки железорудных

месторождений)

Основное

Этапы процесса

Выходные

Входные потоки

Эмиссии

технологическое

(подпроцессы)

потоки

оборудование

Электроэнергия

БВР

Горные вы-

Пустая порода

Подъемные ма-

Сжатый воздух

Выемка, транс-

работки

Пыль

шины

Техническая вода

порт и подъем

Горная

Газообразные

Лебедки

Буровая сталь и

горной массы

масса

продукты взрыв-

Полки, пере-

твердые сплавы

Проветривание

ных работ

движные опа-

Бетонные смеси и

Откачка воды

Стоки (шахтные

лубки

железобетон

Возведение

воды)

Насосы

Взрывчатые веще-

крепи

Вентиляторы

ства

Монтаж метал-

Проходческое

Металлоконструкции

локонструкций,

буровое и погру-

Крепежные матери-

механизмов и

зочное оборудо-

алы

оборудования

вание

Свежий воздух

Вскрытие заключается в проведении горных выработок, открывающих доступ

с поверхности к рудному телу и обеспечивающих возможность проведения подго-

товительных выработок (см. рисунок 2.2).

Выработки вскрытия - шахтные стволы, околоствольные выработки,

квершлаги, штольни, капитальные рудоспуски и др.

Вскрытие

Бурение, заряжание,

Проветривание

Откачка воды

взрывание (БВР) или

(Вентиляция)

(Водоотлив)

механическая отбойка

Транспортировка

Снабжение обору-

Уборка, погрузка гор-

дованием, материа-

горной массы

ной массы

лами, энергией

Монтаж

Подъем

Возведение крепи

конструкций,

горной массы

механизмов и

оборудования

Складирование

Прокладка

пустой породы

коммуникаций

в отвалы

Рисунок 2.2 - Общая блок-схема процессов этапа вскрытия

Вскрытие месторождений осуществляют главными и вспомогательными вы-

работками. Главные вскрывающие выработки (стволы, штольни) служат для транс-

портирования железной руды (сырой) и пустой породы на поверхность, вентиляции,

перемещения людей, доставки материалов и оборудования. Вспомогательные вы-

работки служат для вентиляции, транспорта оборудования, а также в качестве до-

полнительного выхода на поверхность и других целей.

Взаимное расположение главных и вспомогательных стволов определяется

принятой схемой проветривания.

Главные вскрывающие выработки проходят: по месторождению; по пустым

породам со стороны лежачего либо висячего бока или с флангов; по пустым поро-

дам и руде, пересекая рудное тело.

Ввиду ответственного назначения выработок вскрытия и длительного срока

их службы большое значение придают обоснованию и выбору их формы, размеров,

сечений и способов проведения, крепления и расходов по ремонту крепи за все

время существования. Размеры выработки принимают достаточными для нормаль-

ной работы транспорта, безопасными и удобными для передвижения людей, до-

ставки материалов и оборудования, а также для обеспечения прохождения необ-

ходимого количества воздуха.

В зависимости от места расположения главных вскрывающих выработок спо-

собы вскрытия месторождения разделяют на простые и комбинированные. Суще-

ствует достаточное разнообразие простых и комбинированных способов вскрытия.

К простым способам относятся вскрытия: вертикальным шахтным стволом по

рудному телу, по породам лежачего бока, по породам висячего бока; наклонным

шахтным стволом по породам лежачего бока и на флангах месторождения; вскры-

тие штольней по рудному телу, по породам лежачего бока, по породам висячего

бока.

Комбинированные способы сочетают два или более способа вскрытия,

например: вертикальный шахтный ствол с поверхности с переходом в вертикаль-

ный слепой ствол; вертикальный шахтный ствол с поверхности с переходом в

наклонный слепой ствол; штольня с переходом в вертикальный слепой ствол;

штольня с переходом в слепой наклонный ствол.

Приведем характеристики главных вскрывающих выработок.

Штольня как вскрывающая выработка ввиду особенностей залегания рудных

тел и по условиям рельефа на железорудных месторождениях в РФ используется

крайне редко (Бакальское РУ, Олкон). Эффективно использовать штольневое

вскрытие при комбинированном открыто-подземным способе отработки. Когда не

включенные в контур открытой разработки запасы железной руды под дном и за

бортами дорабатываемого карьера вошли в шахтное поле подземного рудника.

Устья штолен располагают в местах, не подверженных затоплению весен-

ними и ливневыми водами. Размеры площадки перед устьем штольни должны

обеспечивать размещение необходимых поверхностных сооружений; к площадке

должны быть удобные подъездные пути, там, где это трудновыполнимо, руду

транспортируют от штольни по канатным дорогам или конвейерами.

Стоимость проходки и крепления 1 м штольни обходится в разы (в зависимо-

сти от притока воды) дешевле, а скорость проходки буровзрывным способом го-

раздо выше. Транспортирование руды намного дешевле и от добычных блоков до

обогатительной фабрики может осуществляться без перегрузки руды. Передвиже-

ние людей и грузов безопаснее. Стоимость водоотлива значительно ниже, зача-

стую движение воды происходит самотеком, и водоотливных установок не требу-

ется. Стоимость поверхностных сооружений у устья штольни значительно ниже, так

как не требуется сооружения копра, надшахтного здания и подъемной машины. Ре-

монт крепи штольни проще.

Шахтные стволы имеют круглую форму сечения, прямоугольную и эллипти-

ческую. На большинстве железорудных рудников предпочитают проходить стволы

круглой формы диаметром в свету в основном 6-8 м.

Размер сечения ствола зависит от его назначения. Капитальные стволы

обычно служат одновременно для подъема руды и породы, подъема и спуска лю-

дей, спуска крепежных материалов, вентиляции. В них же размещают водоотлив-

ные и воздушные трубы. Иногда ствол предназначается только для подъема руды

и породы или только для спуска-подъема людей, только для вентиляции.

Вскрытие вертикальным стволом возможно при весьма разнообразных усло-

виях залегания рудных тел и наиболее распространено в практике.

Большинство железорудных месторождений вскрыто вертикальными ство-

лами, пройденными в лежачем боку за зоной сдвижения горных пород.

Вскрытие стволом, пройденным в висячем боку, применяется реже. Напри-

мер, заложение ствола в лежачем боку невозможно или невыгодно по условиям

рельефа; заложение ствола в висячем боку позволяет сократить расходы на по-

верхностный транспорт и затраты на сооружение подъездных путей; сильная водо-

носность или нарушенность пород лежачего бока затрудняет проходку ствола.

Вскрытие наклонным стволом, как правило, осуществляют в лежачем боку за

пределами зоны сдвижения пород или по месторождению.

От ствола шахты до рудного тела проходят квершлаги, длина которых значи-

тельно меньше, чем при вскрытии вертикальным стволом, особенно на нижних го-

ризонтах. Разница в длине квершлагов тем ощутимее, чем меньше угол падения

месторождения или угол сдвижения горных пород. Небольшая длина квершлагов

является основным достоинством вскрытия наклонным стволом.

Одним из важных преимуществ наклонных стволов по сравнению с вертикаль-

ными является возможность применения в них конвейерного транспорта. Использо-

вание высокопроизводительного транспорта в наклонных стволах существенно рас-

ширяет перспективы их применения для рудников со значительными объемами про-

изводства при различных условиях залегания рудного тела, в том числе и для кру-

того падения.

При вскрытии наклонным стволом, пройденным по месторождению,

квершлаги отсутствуют, и стоимость проходки ствола частично окупается попутно

добываемой рудой. Однако при этом, кроме присущих наклонному стволу недостат-

ков, возникает необходимость оставления охранного целика с обеих сторон от

ствола. Размер (ширина) этого целика возрастает с глубиной.

Способ вскрытия наклонным стволом применен на Бакальском руднике,

длина наклонного ствола составляет 1000 м, руда выдается на поверхность кон-

вейером, угол подъема 12˚. Применяются конвейеры с шириной лент 1000 мм.

Рудник им. Артема в Криворожском бассейне имеет общую длину наклонных

стволов и установленных в них ленточных конвейеров около 4 км.

На канадском руднике Вабана подъем руды от подземной дробилки осу-

ществляется ленточными конвейерами по наклонному стволу (уклон 8°). Длина кон-

вейеров - 4 тыс. м, производительность - 1000 т/ч.

Комбинированные способы вскрытия сочетают в себе разнотипные вскрыва-

ющие выработки, например, верхнюю часть месторождения вскрывают одной глав-

ной выработкой, а нижнюю - другой, причем руда с нижних горизонтов выдается на

поверхность последовательно по обеим главным выработкам. Необходимость в та-

ком вскрытии возникает, в частности, в тех случаях, когда протяженность место-

рождения по падению велика и подъем по одному стволу вследствие его большой

глубины не обеспечивает заданной производительности. Комбинированное вскры-

тие характерно также для месторождений, залегающих в гористых местностях и

распространяющихся ниже уровня возможного вскрытия штольней. В этом случае

ниже уровня штольни месторождение вскрывают слепым стволом.

Глубина каждого ствола определяется максимально допустимой высотой

подъема по одному стволу. Кроме увеличения производительности подъема, при

ступенчатом вскрытии уменьшается длина квершлагов, особенно на нижних гори-

зонтах.

Для вскрытия сверхглубоких горизонтов вместо одного шахтного ствола про-

ходят два, но меньшего сечения. Это вызывается необходимостью принятия мер

по предотвращению проявлений горного давления при переходе на большие глу-

бины.

Рудные тела крутого падения могут быть вскрыты вертикальными стволами

в сочетании с наклонным съездом для самоходного оборудования.

Возможно также вскрытие вертикальным стволом с поверхности, переходя-

щим на глубине в наклонный. Вскрытие наклонными стволами в сравнении с вскры-

тием вертикальными стволами имеет как ряд серьезных недостатков, так и доста-

точно преимуществ.

Выбор и экономическое сопоставление схем вскрытия производят не только

с учетом геологических условий и топографической обстановки, но и большого пе-

речня важных аспектов функционирования будущего предприятия: производитель-

ности, срока существования и т. д., в том числе применения самоходной техники и

ее особенностей. Использование высокопроизводительной самоходной техники

оказывает существенное влияние на технические решения при проектировании и

строительстве подземных сооружений и технологий добычи и требует соответству-

ющих схем вскрытия и расположения поверхностных сооружений. В связи с этим

большое распространение при разработке рудных месторождений в последнее

время получили наклонные автомобильные съезды, служащие для вскрытия и под-

готовки запасов нижних горизонтов и флангов шахтных полей, выдачи руды, про-

ветривания, доставки самоходного оборудования и материалов к месту работ.

Опыт вскрытия рудных залежей наклонными съездами в России и за рубежом

доказал высокую эффективность их применения. Во многих случаях замена верти-

кального рудовыдачного ствола наклонным съездом позволяет при относительно не-

большой глубине разработки сократить объемы вскрывающих выработок за счет ис-

ключения протяженных квершлагов и обеспечить хорошую транспортную связь с

подэтажными выработками, что сокращает расходы, как на вскрытие, так и на эксплу-

атацию месторождения.

Проведение квершлагов и других капитальных выработок, сооружение око-

лоствольных дворов, приемных площадок, капитальных рудоспусков, комплексов

подземного дробления (КПД) - основные и вспомогательные вскрывающие выра-

ботки.

Все они имеют длительный срок существования и требуют большого количе-

ства проходческих и монтажных работ. Так, например, только объем дробильно-

бункерного комплекса крупной конусной или щековой дробилки составляет, как пра-

вило, несколько тыс. м³.

В большинстве случаев околоствольные дворы с полным комплектом выра-

боток устраивают на каждом этаже. Это создает благоприятные условия для под-

земного транспортирования руды, доставки материалов и оборудования, вентиля-

ции и подготовки, особенно для месторождений с большими запасами руды на

этаже.

В некоторых случаях проходить на каждом этаже околоствольные выработки

и длинные квершлаги оказывается экономически нецелесообразно и технически

очень трудно. В этом случае квершлаги от ствола до рудного тела проводят не на

каждом этаже, а через два-три этажа (редко более), т. е. применяют вскрытие груп-

повыми квершлагами. При этом связь между стволом и откаточными выработками

этажа осуществляется через вертикальные и наклонные выработки, которые обес-

печивают спуск (реже подъем) руды до главных откаточных выработок, перемеще-

ние людей, доставку материалов и оборудования, проветривание.

Для доставки материалов и оборудования, перемещения людей сооружают

полевые или рудные капитальные восстающие, которые оборудуют клетевым или

лифтовым подъемом.

Один квершлаг (один комплекс подземного дробления) может обслуживать

несколько этажей, с верхних этажей руда поступает через рудоспуски, а с нижнего

руду поднимают по слепому стволу или уклону. Вскрытие групповыми квершлагами

значительно снижает затраты на горнокапитальные работы и позволяет интенси-

фицировать разработку месторождения. Кроме того, наличие запаса руды в пере-

пускных восстающих положительно сказывается на работе транспорта и подъеме.

Такой способ широко применяется на железорудных месторождениях Западной Си-

бири и Урала (Высокогорский ГОК, Абаканский рудник).

Вместе с этим вскрытие групповыми квершлагами имеет и серьезные недо-

статки. К их числу относятся: необходимость проходки дополнительных выработок

(восстающих, рудоспусков и др.) для связи этажных откаточных выработок с капи-

тальным штреком или квершлагом, значительные затраты на поддержание рудо-

спусков, дополнительные расходы на перегрузку и (иногда) на откатку руды, до-

ставку материалов и оборудования, усложнение спуска и подъема рабочих, затруд-

нение подготовки, усложнение вентиляции.

Когда необходима непосредственная связь с шахтным стволом на каждом

этаже, объем горнокапитальных выработок сокращают путем проходки около-

ствольных выработок через несколько этажей. В связи с наблюдающимся усложне-

нием и увеличением объема околоствольных дворов это практикуется довольно

часто.

Особенности залегания полезных ископаемых и топография местности до-

пускают возможность применения двух или даже нескольких вариантов вскрытия.

Все многообразие технических и технологических решений, используемых

при освоении месторождений железных руд, подвергается оценке на основе тех-

нико-экономического сравнения возможных вариантов. Вариант выбирается тот,

при котором обеспечивается наибольшая безопасность работ и достигаются

наименьшие суммарные и эксплуатационные затраты.

В соответствии с выбранной схемой принимается решение о месте располо-

жения на земной поверхности устья главной вскрывающей выработки и комплекса

технологических сооружений и отвалов. Место заложения главной вскрывающей

выработки по линии простирания месторождения должно быть оптимальным в от-

ношении наименьшей работы подземного транспорта в течение всего времени от-

работки запасов, обеспечивать возможность и удобство расположения поверхност-

ных сооружений и подъездных путей, быть не затопляемым паводковыми и дожде-

выми водами, исключать вероятность оползней, сползания снежных лавин и т. д.

Должно быть не менее двух независимых выходов на земную поверхность,

причем вторым выходом могут служить вспомогательные выработки вскрытия, в

том числе предназначенные для вентиляции. Расположение выработок увязыва-

ется со схемой шахтной вентиляции.

Подготовка (подготовительные работы) - это проведение горных вырабо-

ток - штреков, восстающих, ортов и др., которыми вскрытая часть месторождения

разделяется на обособленные выемочные участки - этажи, блоки, панели (см. ри-

сунок 2.3 и таблицу 2.3). Выемочный участок в свою очередь делится подготови-

тельными и нарезными выработками на отдельные части: подэтажи, слои, при-

резки, камеры, междуэтажные, междукамерные, междупанельные целики и др.

Подготовка

Бурение, заряжание,

Проветривание

Откачка воды

взрывание (БВР) или

(Вентиляция)

(Водоотлив)

механическая отбойка

Транспортировка

Снабжение обору-

Уборка, погрузка

горной массы

дованием, матери-

горной массы

алами, энергией

Монтаж

Подъем горной

Возведение крепи

конструкций,

массы

механизмов

и оборудования

Прокладка

Складирование

пустой породы

коммуникаций

в отвалы

Рисунок 2.3 - Общая блок-схема процессов подготовительных работ

Способы подготовки основных горизонтов определяются технико-экономиче-

ским сравнением возможных вариантов, учитывающих геологические, технические,

технологические и экономические факторы, и зависят от характера рудного тела -

его мощности и угла падения, от физико-механических свойств руды и вмещающих

пород, принятого порядка очистной выемки в этаже, от способа транспортирования

полезного ископаемого.

Таблица

2.3 - Входные и выходные потоки и основное технологическое

оборудование процесса подготовки (этапы подземной разработки)

Этап процесса

Выходной

Основное технологи-

Входной поток

Эмиссии

(подпроцесс)

поток

ческое оборудование

Электроэнергия

БВР

Горные вы-

Пустая по-

Подъемные машины

Сжатый воздух

Выемка, транс-

работки

рода

Проходческое буро-

Техническая вода

порт и подъем

Горная

Пыль

вое и погрузочное

Буровая сталь

горной массы

масса

Газообраз-

оборудование

Проветривание;

ные про-

Машины и оборудо-

Бетон, железобетон

Откачка воды

дукты

вание для возведе-

Взрывчатые веще-

взрывных

ния крепи

ства

Возведение

крепи

работ

Насосы

Металлоконструкции

Монтаж метал-

Сточные

Вентиляторы

Крепежные матери-

локонструкций,

(шахтные)

алы

механизмов и

воды

ГСМ

оборудования

Свежий воздух

Назначение подготовительных выработок заключается в следующем:

- оконтуривание (выделение) этажа, шахтного поля, блоков или панелей;

- создание связи блока (панели) с общерудничной транспортной сетью;

- обеспечение эффективного проветривания рабочих мест;

- обеспечение свободного доступа в забои и аварийного выхода из них, снаб-

жение забоев оборудованием, материалами, энергией, высокопроизводительной

выдачи из них добытой руды.

Принятый способ подготовки, расположение и размеры подготовительных

выработок должны обеспечивать: безопасное производство очистных работ; эф-

фективное проветривание очистных забоев; своевременную подготовку этажей и

блоков для сохранения постоянного резерва подготовленных и готовых к выемке

запасов руды с определенным средним содержанием полезных компонентов; удоб-

ные и безопасные условия передвижения людей, доставка материалов и оборудо-

вания по выработкам; минимальные потери руды в целиках, предохраняющих под-

готовительные выработки, удобные и производительные способы доставки руды,

погрузки и откатки; минимальные расходы на поддержание выработок и ремонт

крепи.

В рамках подготовки создаются коммуникации и магистрали для вентиляции,

канализации электроэнергии, передвижения людей и транспортирования грузов.

В условиях значительного притока воды проведение подготовительных вы-

работок должно обеспечивать своевременный дренаж месторождения.

Подготовленные запасы руды - запасы выемочных участков, в которых пол-

ностью пройдены подготовительные выработки, предусмотренные принятой систе-

мой разработки.

Разделение рудничного поля на этажи производят выработками основного

горизонта - откаточными штреками и ортами. Восстающими и наклонными выра-

ботками этажи разделяют на выемочные блоки, в некоторых случаях этажи делят

по высоте на подэтажи. Высота этажа составляет 50-100 м (редко более) в зависи-

мости от горно-геологических условий и технологии добычи.

Для передвижения механизмов на участках очистной выемки используют си-

стему горизонтальных выработок откаточного и вентиляционного горизонтов, вос-

стающих и рудоспусков, при подготовке наклонными съездами используют съезды

спиральной или иной формы и рудоспуски, сбитые с подэтажами. Исходя из назна-

чения и характеристик проходческих механизмов, наиболее часто встречающиеся

сечения выработок: вертикальных и горизонтальных 3,5-24 м², съездов 9-13 м² с

углом наклона 12-15°.

При большой мощности рудных тел в породах лежачего бока проходят поле-

вые восстающие, соединяющие полевые этажные штреки. Помимо этого, проходят

вспомогательные восстающие у контакта висячего бока или восстающие, пересе-

кающие рудное тело.

Отрезные, рудоспускные, вентиляционно-ходовые восстающие между

подэтажами и дучки проходят буровзрывным способом секционного взрывания

скважин, шпуровым или бурением (расширением) скважин большого диаметра.

Наибольшее распространение способ проходки восстающих секционным взрыва-

нием получил при оформлении отрезных восстающих или щелей при этажной и

подэтажной отбойке руд. Часто проходка восстающих секционным взрыванием

осложняется тектоникой и проявлениями горного давления. Если в малонарушен-

ных породах бурение взрывных скважин заданного направления удается (напри-

мер, буровыми станками НКР-100М с увеличенным количеством податчиков для

глубокого и точного бурения или самоходными установками добычного бурения), то

при интенсивной нарушенности искривление скважин снижает эффективность ис-

пользования способа. Кроме того, случается, что под воздействием предыдущих

взрывов и горного давления скважины становятся непригодными для заряжания.

Проходка восстающих выработок - один из трудоемких и опасных процессов.

Для механизации процессов проходки выработок с углом наклона 60°-90° приме-

няют комплексы КПВ. Полок перемещается по монорельсу с помощью приводных

звездочек. Бурение с полков осуществляется перфораторами. Однако способ не

исключает главного недостатка пребывания проходчиков в опасных условиях и в

последнее время применяется все реже.

Способ проходки бурением и расширением вертикальных и наклонных сква-

жин с использованием буровых станков - безлюдный и один их самых перспектив-

ных. Скорость проходки восстающих увеличивается по сравнению с буровзрыв-

ными способами в разы. Станки этого типа предназначены для проведения верти-

кальных и наклонных выработок диаметром до 3 м, до 100 м в длину и под углом

до 70° в породах с коэффициентом крепости до 12 по Протодьяконову, однако при-

меняется и в более крепких породах. Применяют также станки для проходки вос-

стающих снизу вверх сплошным забоем или в две стадии с первоначальным буре-

нием опережающей скважины.

Горные выработки, проводимые в уже подготовленных участках и необходи-

мые для производства выемки руды из этих участков, принято называть нарезными

выработками, а выполняемые при их проведении работы - нарезными работами.

Нарезные выработки проходят в пределах блоков, панелей непосредственно

для очистной выемки:

- подэтажные горизонтальные выработки разделяют блок на отдельные вы-

емочные подэтажи;

- выработки горизонта скреперования - штреки или орты - служат для до-

ставки отбитой руды до выработок основного горизонта, а также для вторичного ее

дробления;

- выработки горизонта грохочения - камеры, штреки, орты - служат для вто-

ричного дробления руды и перепуска руды на основной горизонт;

- выработки горизонта подсечки служат для подрезки массива руды в днище

блока;

- отрезные восстающие служат для отрезки массива руды в заданном месте

блока;

- щели, ходки, сбойки и ряд других выработок обеспечивают оптимальное

развитие работ.

Для нарезки днища блоков используют самоходные буровые установки и по-

грузочно-доставочные машины или перфораторы на пневмоподдержке и скрепер-

ные установки различных модификаций.

В выработках выемочного участка оставляются рудные целики, возводятся

разнообразные искусственные сооружения и устройства: крепь, грохоты в камерах

дробления, люковые рамы и затворы, погрузочные полки, бетонные, металличе-

ские или железобетонные облицовки сопряжений выработок выпуска и вторичного

дробления и др.

Готовые к выемке - запасы руды подготовленных выемочных участков, в ко-

торых полностью пройдены нарезные выработки, необходимые для производства

очистной выемки.

Создание и постоянное сохранение резерва вскрытых, подготовленных и го-

товых к выемке запасов необходимо для того, чтобы:

- планомерно и своевременно по мере отработки одних участков месторож-

дения развивать добычу руды на других участках в необходимом количестве;

- иметь запас времени для эксплуатационной разведки и дренажа вводимых

в эксплуатацию частей месторождения;

- поддерживать равномерное содержание полезных компонентов в руде,

направляемой на переработку, путем планомерного ввода в очистную выемку

участков месторождения с различным составом руды;

- иметь резервные участки на случай временного прекращения работ по

вскрытию и подготовке или необходимости увеличения добычи руды сверхустанов-

ленного плана.

Очистная выемка - технологический процесс извлечения руды из выемоч-

ного участка и поддержания образующихся при этом очистных выработок и очист-

ного пространства (см. рисунок 2.4 и таблицу 2.4).

Таблица

2.4 - Входные и выходные потоки и основное технологическое

оборудование очистной выемки (этапы подземной разработки железорудных

месторождений)

Основное техно-

Этап процесса

Выходной

Входной поток

Эмиссии

логическое обо-

(подпроцесс)

поток

рудование

Электроэнергия

БВР

Сырая руда

Пустая порода

Подъемные ма-

Сжатый воздух

Выпуск, транс-

Пустая по-

Пыль

шины и ком-

Техническая вода

порт и подъем

рода

Газообразные

плексы

Буровая сталь

руды и породы

продукты взрыв-

Буровое, заряд-

Проветривание

ных работ

ное и погрузоч-

Взрывчатые матери-

Сточные (шахт-

ное оборудова-

алы

Откачка воды

ные) воды

ние

ГСМ

Поддержание

очистного про-

Локомотивы, ва-

Свежий воздух

странства

гоны, опрокиды-

ватели

Вторичное дроб-

ление

Конусные, щеко-

вые дробилки

Насосы

Вентиляторы

Определенный порядок подготовки и очистной выемки во времени и про-

странстве принято называть системой разработки, во всем многообразии систем

каждой системе присущи: конструктивные характеристики; порядок очистной вы-

емки; технология очистной выемки. Очистная выемка при любой системе разра-

ботки включает три основные операции: отбойку руды - отделение ее от массива;

доставку руды - перемещение отбитой руды от забоя до откаточного горизонта; со-

ставной частью этой операции являются выпуск и погрузка руды; поддержание вы-

работанного пространства.

Из технологических процессов очистной выемки наибольшее влияние на рас-

положение выработок откаточного горизонта оказывает доставка руды, включая ее

погрузку. Нередко изменение того или иного элемента технологического процесса

вызывает изменение схемы расположения откаточных штреков и ортов. Например,

переход от скреперной доставки к вибровыпуску или самоходному оборудованию

существенно меняет как схему, так и параметры выработок основного горизонта.

При разработке мощных месторождений, сложенных слабыми или трещино-

ватыми минералами, способными при обнажении на достаточной площади под дей-

ствием гравитации и давления налегающей толщи обрушаться, используют фено-

мен самообрушения. Способ характеризуется высокой производительностью и де-

шевизной, однако условия его применения крайне ограничены.

Буровзрывной способ является универсальным для отбойки железных руд

средней и высокой крепости, отбойку ведут с помощью зарядов ВВ в шпурах, взрыв-

ных скважинах и минных выработках. Взрывной способ разрушения основан на при-

менении взрывчатых веществ, при быстротечном разложении которых освобожда-

ющаяся энергия взрыва отделяет от массива и осуществляет дробление горной

массы.

Для бурения взрывных скважин и шпуров используют разнообразные буро-

вые перфораторы, станки, каретки и установки добычного бурения.

Применяются буровые станки с пневматическим или гидравлическим приво-

дом, с электродвигателем, двигателем внутреннего сгорания, дизель-электриче-

ским приводом, самоходные, передвижные на специальных тележках. Бурильные

машины с пневматическими двигателями необходимо обеспечивать сжатым возду-

хом, подаваемым от компрессора по воздуховодам, бурильные машины с электро-

двигателями снабжаются электроэнергией по кабелям, бурильные машины с дви-

гателями внутреннего сгорания, как правило, потребляют дизельное топливо.

Расположение скважины может быть параллельным, параллельно-сближен-

ным, веерным. Для размещения зарядов ВВ до недавнего времени самыми распро-

страненными были скважины диаметром 105-110 мм, которые бурят отечествен-

ными станками с погружными пневмоударниками. В последнее время для подго-

товки массива к обрушению значительную долю буровых работ производят само-

ходным импортным оборудованием с диаметром скважин 89-102 мм.

На некоторых рудниках Сибири при подготовке блоков к массовому обруше-

нию в условиях высокого горного давления значительные объемы ранее отбурен-

ных скважин 105 мм приходили в непригодное для заряжания состояние. Как след-

ствие, применялись взрывные скважины большего диаметра. Успешный опыт ис-

пользования скважин до 300 мм имеет Абаканский рудник, Горно-Шорский филиал.

Разбуривание массива междублокового целика осуществляли, расширяя пилотные

скважины диаметром 105-130 мм до диаметра 250-300 мм. Кроме того, достаточно

эффективно применялся способ разрушения междублоковых целиков на всю вы-

соту этажа вертикальными концентрированными зарядами (ВКЗ). По этой техноло-

гии концентрированные заряды размещали в «слепых» восстающих малого сече-

ния, пройденных способом секционного взрывания скважин, и располагали в цен-

тре блока. ВКЗ взрывали последними ступенями замедления после взрыва пучко-

вых скважинных зарядов и образования массива столбообразной формы, создаю-

щегося в процессе короткозамедленного взрывания. Применялись заряды с инерт-

ными промежутками для более равномерного дробления горного массива.

По условиям технологического процесса отбитая руда должна иметь куски

определенной крупности. Размеры максимально допустимого куска во взорванной

горной массе определяются параметрами транспортных средств, дробилок и дру-

гих приемных устройств, а также условиями работы оборудования.

Максимально допустимый размер кусков обычно принимают от 300-400 до

800-1000 мм, при отбойке руды взрывным способом образуется некоторое количе-

ство некондиционных кусков - негабаритов. Для дробления негабарита применяют

взрывчатые вещества или механические устройства (дробилки, бутобои).

Для улучшения дробления руды и снижения сейсмического эффекта необхо-

димо использовать дифференцированное распределение ВВ в рудном массиве

(геометрию расположения вееров и пучков скважин) и короткозамедленное взры-

вание зарядов, например, с интервалами: 25, 50, 75, 100 и 150 мс.

Как правило, железорудные шахты не относятся к опасным по газу и пыли,

на них широко применяются промышленные ВВ для подземных горных работ, от-

личительной полосой которых является красный цвет оболочки патронов или яр-

лыков. Распространены аммиачно-селитренные гранулированные, порошкообраз-

ные и эмульсионные ВВ.

Аммиачно-селитренные ВВ - механические смеси аммиачной селитры с нит-

росоединениями или с горючими и разрыхляющими добавками: аммониты, аммо-

налы, динамоны. Широко применяются: граммониты, гранулиты, аммониты № 6

ЖВ, игданиты, эмульсионные ВВ.

В связи с гигроскопичностью аммиачно-селитренных ВВ возникает необхо-

димость в придании им свойства водоустойчивости, которое достигается введе-

нием в готовый состав ВВ или в аммиачную селитру небольшого количества спе-

циальных добавок. Сорта ВВ, изготовленные из водоустойчивой аммиачной се-

литры, имеют марку ЖВ. К водоустойчивым ВВ относятся: аммониты № 6ЖВ, а

также тротил и другие нитросоединения.

Для подземных работ применяют ВВ только с кислородным балансом, близ-

ким к нулевому (±3%), при взрывании ВМ по максимуму должно быть сокращено

образование оксида углерода СО и оксидов азота NO, NO2, N2O3 и прочих вредных

газов.

Для заряжания используют специальные самоходные, передвижные и пере-

носные зарядные машины, как правило, с пневматической подачей взрывчатых ве-

ществ. При заряжании взрывчатое вещество засыпается в загрузочную емкость ма-

шины, затем поступает в питатель (барабанный, камерный или эжекторный), далее

транспортируется сжатым воздухом (от шахтной пневмосети) по гибкому доста-

вочно-зарядному шлангу в скважины или шпуры.

Механическая отбойка применяется в основном при выемке руд и пород низ-

кой крепости, используются самоходные комбайны с шарошечными рабочими ор-

ганами.

Механизированная доставка производится скреперами, погрузочно-доста-

вочными машинами, конвейерами. Иногда доставку осуществляют силой взрыва.

Выпуск руды из очистного пространства через выработки днищ блоков, обо-

рудованных вибродоставочными установками, производится непосредственно в от-

каточные сосуды. Выпуск на почву выработок обычно сопровождается вторичным

дроблением руды, которое зачастую осуществляется вблизи забоя в специальных

выработках на горизонте доставки (грохочения). Далее производят перепуск руды

через рудоспуски на откаточный горизонт и загрузку в подвижной состав через

люки, вибропитатели и другие устройства.

Традиционно на железодобывающих рудниках используют скреперную до-

ставку и вибровыпуск, однако в настоящее время широко применяются самоходные

погрузочные машины. Мощные подземные ковшовые погрузчики высокоманев-

ренны. Они сконструированы и сделаны для тяжелых условий эксплуатации в огра-

ниченном пространстве. По большей части они оборудованы дизельными двигате-

лями. Надо признать, что погрузочно-доставочные машины с электрическим приво-

дом обеспечивают лучшие условия труда за счет отсутствия выхлопных газов,

меньшего уровня вибраций и шума.

На мощных железорудных месторождениях широко применяются системы

разработки с обрушением руды и вмещающих пород, которые характеризуются об-

рушением подсеченного снизу или сбоку массива руды в подэтаже или этаже. Вы-

пуск основной массы руды производится под обрушенными, опускающимися в про-

цессе выпуска пустыми породами, которые заполняют выработанное пространство.

Наиболее широкое распространение при разработке железных руд получило этаж-

ное и подэтажное обрушение с отбойкой руды глубокими скважинами.

Системы с принудительным этажным обрушением на вертикальные компен-

сационные камеры применяют на Высокогорском, Абаканском, Таштагольском же-

лезных рудниках. Размеры целиков принимают больше, чем размеры камер. По-

следние выполняют функцию компенсационного пространства. Образование ком-

пенсационных камер ведется аналогично выемке их в этажно-камерных системах

разработки (АО «Комбинат КМАруда). После проходки отрезного восстающего и

расширения его в отрезную щель последовательно отбивают на нее встречными

веерами скважин вертикальные слои руды.

Принудительное этажное и подэтажное обрушение без компенсационных ка-

мер предполагает отбойку секциями на массив ранее обрушенной руды или пустой

породы. Единая технология очистной выемки для всех участков блока этажа харак-

терна для этой системы. Поэтому ее относят к системам с одностадийной выемкой

в отличие от этажно-камерных систем, систем этажного обрушения на компенсаци-

онные камеры и ряда других, в которых отработка блока осуществляется в две или

даже три стадии (выемка камер, отработка потолочины и междукамерных целиков,

выемка днища). Следует отметить, что в недостаточно устойчивых рудах отбойка в

зажатой среде может вызвать нарушение массива руды и пройденных в них выра-

боток. Поэтому применение подэтажного обрушения без компенсационного про-

странства требует в каждом отдельном случае проведения опытных работ.

В ряде случаев переход на системы с отбойкой в зажатой среде в сочетании

с применением более производительного погрузочно-доставочного самоходного

оборудования позволяет повысить эффективность системы этажного и подэтаж-

ного принудительного обрушения. Горно-Шорский филиал АО «ЕвразРуда» в по-

следние годы запустил в эксплуатацию очередной комплекс подземного дробления

и увеличил объемы добычи с 2 до 5 млн т в год, постепенно заменяя отбойку на

компенсационное пространство и вибровыпуск торцевым выпуском с использова-

нием самоходного оборудования.

Вариант с обрушением руды на почву подэтажных (доставочных) выработок,

называемый часто шведским вариантом подэтажного обрушения или вариантом с

торцовым выпуском, является одним из наиболее простых и производительных.

Горные выработки и пустоты, образовавшиеся после выемки полезного ис-

копаемого, заполняются со временем или сразу обрушающимися породами, в ре-

зультате чего массив пород над месторождением деформируется и оседает. Сдви-

жение пород обычно вызывает плавное оседание земной поверхности, без разрыва

ее сплошности, или резкое, со значительными смещениями и провалами.

В горной практике на зарубежных и отечественных предприятиях имеют ме-

сто технологические схемы отработки железорудных месторождений, использую-

щие способы управления состоянием горного массива и поддержание его в устой-

чивом состоянии за счет оставления рудных целиков и за счет замены рудного мас-

сива искусственным (системы с закладкой).

Закладка пустот - заполнение их закладочным материалом: пустой породой,

хвостами обогатительных фабрик, твердеющими смесями и т. п.

Способ используется в подземной разработке железных руд при необходи-

мости сохранять земную поверхность от разрушения или минимизировать влияние

горных работ на важные объекты. Это особенно важно из-за наличия водоносных

горизонтов, водоемов или крупных сооружений на поверхности и пр.

Закладочным материалом чаще всего являются попутно или специально до-

бываемые породы, хвосты обогатительных фабрик. По признаку заполнения выра-

ботанного пространства закладка может быть полной или частичной. Чаще всего

используют:

- твердеющую гидравлическую закладку - закладочный материал включает

вяжущие вещества; в результате твердения закладки образуется монолитный мас-

сив значительной устойчивости и прочности;

- сухую закладку - закладочный материал не содержит воды сверхъесте-

ственной влажности.

Расходы на добычу закладочного материала, его подготовку, транспорти-

ровку и размещение в очистных выработках в большинстве случаев значительны,

однако этот способ обеспечивает безопасность работ, радикальное снижение по-

терь полезного ископаемого, а также препятствует деформации перекрывающих

пород и земной поверхности.

В заключительной стадии выемки запасов очистные выработки погашают

или приводят в такое состояние, в котором они будут находиться в течение неопре-

деленно долгого времени.

Системы с закладкой выработанного пространства применяются в

АО «ЕвразРуда» (Таштагольский филиал), в АО «Комбинат КМАруда» в качестве

закладки используются сгущенные хвосты обогащения без вяжущих компонентов,

ООО «Металл-групп» - Яковлевский рудник отрабатывает рудные запасы систе-

мой нисходящими слоями с твердеющей закладкой. Такой способ ведения горных

работ позволяет управлять состоянием выработанного пространства, определяю-

щего влияние на земную поверхность, и имеет высокую экологическую значимость.

Каждый из этих способов имеет свои сильные и слабые стороны, баланс ко-

торых в виде экономических и экологических показателей и определяет в каждом

конкретном случае выбор применяемых технологий. Основное оборудование, ис-

пользуемое при подземной разработке железорудных месторождений приведено в

таблице 2.5.

Подземный транспорт - комплекс сооружений и устройств, предназначенный

для приема и перемещения различных грузов и людей. В задачи шахтного транс-

порта входит формирование и реализация встречных грузопотоков. Основная

цель - транспортирование руды и породы от пунктов выгрузки из очистных блоков,

проходческих забоев до перегрузочных комплексов, околоствольных дворов и руд-

ничного подъема. Кроме того, транспорт осуществляет функцию своевременного и

бесперебойного снабжения добычных участков материалами, инструментом, обо-

рудованием и при необходимости для перевозки людей к месту работы и обратно.

Таблица

2.5 - Основное оборудование подземной разработки железорудных

месторождений

Наименование

Существенные характеристики

Назначение оборудования

оборудования

технологического оборудования

Подъемные машины

Выдача на поверхность руды

Цилиндрические барабанные

и породы; спуск - подъем

Бицилиндроконические

людей, материалов, инстру-

Со шкивом трения

мента, оборудования

Вентиляторы главного, вспо-

Для проветривания горных

Осевые

могательного и местного про-

выработок, удаления вред-

Центробежные

ветривания

ных и ядовитых газов, пыли

Буровые перфораторы

Для бурения шпуров

Пневматические

Гидравлические

Самоходные буровые ка-

Для бурения шпуров

На пневмошинном ходу

ретки

На рельсовом ходу

С пневмоперфораторами или гидро-

перфораторами

Станки и самоходные уста-

Для бурения взрывных сква-

С использованием энергии сжатого воз-

новки добычного бурения

жин

духа

С гидравлическими буровыми молот-

ками

С дизельным и электроприводом

Скреперные и вибродоста-

Для перемещения и погрузки

С электроприводом

вочные установки

отбитой горной массы на

С использованием энергии сжатого воз-

проходческих и добычных ра-

духа

ботах

Ковшевые погрузочно-доста-

Для перемещения и погрузки

С использованием энергии сжатого воз-

вочные машины

отбитой горной массы на

духа

проходческих и добычных ра-

С дизельным и электроприводом

ботах

Ковшевые погрузочно-доста-

Для перемещения и погрузки

С использованием энергии сжатого воз-

вочные машины

отбитой горной массы на

духа

проходческих и добычных ра-

С дизельным и электроприводом

ботах

Контактные электровозы

Перевозка грузов - руды и

Рельсовая колея в основном 750 мм

породы, людей, материалов,

Используют контактную сеть с напряже-

инструмента, оборудования

нием постоянного тока 250 В

Шахтные самосвалы

Перевозка грузов - руды и

Шарнирно-сочлененное устройство

породы, материалов, инстру-

рамы

мента, оборудования

Дизельный привод

Дробилки

Дробление и измельчение

Конусные

материала

Щековые

Насосы

Транспортирование жидких

Центробежные: стационарные, много-

сред (вода, пульпа)

ступенчатые проходческие подвесные,

зумпфовые погружные

На рудниках, добывающих железные руды, используют:

- рельсовый транспорт (контактные электровозы, рудничные вагонетки);

- самоходное оборудование на пневмошинном ходу;

- конвейерную доставку.

В настоящее время наибольшее распространение находит рельсовый транс-

порт. Локомотивный транспорт - контактные электровозы, вагонетки с глухим дни-

щем, боковой и донной разгрузкой, саморазгружающиеся сосуды. Большое разно-

образие вспомогательных механизмов: опрокидыватели вагонеток, лебедки, толка-

тели, различное путевое оборудование и т. д. Успешная работа большого числа ло-

комотивов обеспечивается автоматизацией процессов откатки. Она включает сиг-

нализацию, централизацию и блокировку (СЦБ), дистанционное управление локо-

мотивами и диспетчерскую службу.

Безрельсовое транспортирование с использованием самоходного оборудо-

вания применяется редко. Основной вид транспорта - автосамосвалы высокой гру-

зоподъемности.

Ленточные конвейеры применяют только для транспортирования руды, про-

шедшей стадию дробления в подземных комплексах дробления.

Подъем и подземный транспорт - это звенья одной транспортной системы.

По типу оборудования рудничный подъем разделяют на клетевой, скиповой, кон-

вейерный, автомобильный, а по назначению - на главный (для выдачи руды) и

вспомогательный. Для вспомогательного подъема по вертикальным стволам ис-

пользуют то же оборудование, что и для главного. Его назначение заключается в

выдаче на поверхность породы (вагонами в клетях или скипами), спуске-подъеме

людей (в клетях), спуске в шахту материалов, инструмента (в клетях), спуске рабо-

чего и подъеме неисправного оборудования (малогабаритное - в клетях, крупнога-

баритное - на подвеске под клетями, целиком или частями, или на специальных

грузовых платформах в неразобранном виде по отдельным стволам).

На железных рудниках при значительной глубине разработки используют

скиповой подъем руды. Высокая производительность скипов объясняется их боль-

шей вместимостью (до 50 т), скоростью движения (до 20 м/с и более, тогда как

клети движутся со скоростью не более 8 м/с), а также полной автоматизацией по-

грузочно-разгрузочных операций и подъема - спуска скипов.

Конвейерный подъем эффективно применять на сравнительно неглубоких

рудниках (до 400-600 м) большой производительности (свыше 4-5 млн т/год), а

также с меньшей производительностью при доработке глубоких горизонтов для

подъема руды на вышележащий комплекс загрузки скипов. Как правило, применяют

мощные ленточные конвейеры. Для использования конвейерного подъема необхо-

димо сравнительно мелкое дробление руды на куски размерами не более 0,1-

0,15 м. Угол наклона ствола не должен превышать 16°-18°.

Автомобильный подъем руды применяется в нашей стране в единичных слу-

чаях. Угол наклона автомобильных уклонов, съездов, стволов составляет 6°-8°.

Шахтный водоотлив предназначен для откачки воды из горных выработок

шахты. Главный рудничный водоотлив осуществляет откачку общешахтного при-

тока воды посредством подъема воды по трубам на поверхность, участковый водо-

отлив - перекачку воды из отдельных участков шахты к водосборникам главного

водоотлива (реже - непосредственно на поверхность земли). Схема водоотлива

определяется проектом в зависимости от способа вскрытия, порядка разработки и

гидрогеологических условий месторождения.

Большинство железорудных шахт имеют значительные глубины, на них при-

меняется ступенчатый водоотлив, когда из нижних горизонтов вода перекачивается

в промежуточные водосборники вышележащих горизонтов и затем на поверхность.

В систему шахтного водоотлива входят: водоотводные канавки, водосбор-

ники, насосные станции с водозаборными колодцами и водоотливными установ-

ками, с всасывающими и нагнетательными трубопроводами. В стволах оборуду-

ются зумпфовые водоотливы, перекачивающие воду в шахтную водоотливную

сеть.

Шахтные водосборники и насосные камеры располагают с учетом схем

вскрытия и других горно-геологических и горнотехнических условий. Для главного

водоотлива на шахтах применяются в основном центробежные многоступенчатые

секционные насосы в горизонтальном исполнении, допускающие содержание ме-

ханических примесей в воде (частицы до 0,1-0,2 мм) до 0,1 % - 0,2 %. Количество

насосов строго регламентируется.

Для подачи воды на поверхность в стволе шахты прокладываются несколько

ставов нагнетательных труб - рабочие и резервные.

Водоотливные установки оборудуются аппаратурой автоматизации, кон-

троля и защиты. Аппаратура автоматизации обеспечивает автоматическую за-

ливку, пуск и остановку насосов в зависимости от уровня воды в водосборнике, по-

очередную работу насосов, автоматическое включение резервных насосов при ава-

рийном подъеме уровня воды в водосборнике и неисправности работающего

насоса, дистанционный контроль и сигнализацию об уровне воды в водосборнике.

Рудничная вентиляция или проветривание шахт применяется для создания

в подземных выработках нормальных атмосферных условий, исключающих вред-

ное воздействие на человека ядовитых газов, высоких и низких температур. Основ-

ной принцип организации проветривания горных выработок шахты (рудника) - со-

здание сквозной вентиляционной струи за счет общешахтной депрессии и пропуска

этой струи через последовательно соединенные выработки. Используется нагнета-

тельный, всасывающий или нагнетательно-всасывающий способ вентиляции и спе-

циальный порядок распределения и движения воздуха по выработкам. Воздух по-

дают в шахту по одним выработкам, а отводят на поверхность по другим. Свежий

воздух по выработкам распределяют в соответствии с потребностью с помощью

вентиляционных устройств: автоматических вентиляционных дверей, шлюзов и пе-

ремычек.

Источником движения воздуха в горных выработках являются шахтные вен-

тиляторы главного и местного проветривания. Используются центробежные венти-

ляторы типа ВЦ и осевые вентиляторы типа ВОД. Широко применяется частотное

регулирование приводных электродвигателей. Главные вентиляторные установки

(ГВУ) снабжаются системой дистанционного управления приводом вентилятора и

контроля параметров работы с пульта главного диспетчера шахты. ГВУ оборудуют

системой реверсирования вентиляционной струи. При работе вентиляторов на

нагнетание в ГВУ дополнительно устраивается калориферная установка для подо-

грева воздуха в зимнее время. По типу теплоносителя калориферные установки

могут быть с прямым нагревом воздуха с использованием природного газа, элек-

трическими, паровыми или водяными.

При прохождении по подземным выработкам вентиляционной струи к руд-

ничному воздуху примешиваются пыль, различные газы, появляющиеся вслед-

ствие производства взрывов, работы дизельных машин, гниения деревянной крепи

и т. д. Основная мера борьбы с примесями вредных газов - разжижение их свежим

воздухом до предельно допустимых концентраций, например, газообразных про-

дуктов взрыва ВВ (в первую очередь СО - 0,0017%, NO2% - 0,00026%); выхлопных

газов, работающих в выработке машин с ДВС. Все машины с дизельными ДВС

должны быть оборудованы двухступенчатой системой очистки выхлопных газов

(каталитической и жидкостной).

Для эффективного выноса пыли из забоя скорость воздуха должна быть не

менее расчетной, кроме того для борьбы с запыленностью шахтного воздуха при-

меняют специальный комплекс мер, среди которых наиболее распространено гид-

рообеспыливание.

При подземной добыче железной руды основными загрязнителями являются

газопылевые выбросы в атмосферу - смесь атмосферного воздуха с различными

газообразными и пылевыми примесями, выделяющимися при производстве буро-

взрывных работ, очистной выемки и пр.

В периоды проведения массовых взрывов концентрация газопылевых приме-

сей в исходящей струе многократно возрастает.

Обращение с пустыми породами. В зависимости от условий залегания из-

влекают не только полезное ископаемое, но и пустые породы или некондиционную

руду. Кроме того, создание и постоянное сохранение резерва вскрытых, подготов-

ленных и готовых к выемке запасов требует значительных объемов проходческих

работ. Это существенные объемы горной массы при годовой добыче в несколько

миллионов тонн железной руды. Удельный расход выработок на 1000 т сырой

руды: горно-подготовительных выработок может достигать 2-6 м³, нарезных - 8-

14 м³. Во время эксплуатации месторождения большую часть нарезных выработок

проводят по рудному массиву (попутная добыча), капитальные и горно-подготови-

тельные выработки, как правило, проходят по вмещающим породам. Пустые по-

роды из добычи и от проходки горных выработок необходимо транспортировать от-

дельным потоком, выдавать на поверхность и складировать в отвалы. Для этого

используется рудничный транспорт и подъем, на поверхности используется авто-

мобильная и бульдозерная техника. Технология отвалообразования и комплексная

механизация аналогичны процессам отвалообразования пустых пород на открытых

горных работах.

Руды, по своим кондициям не отвечающие в настоящее время требованиям

переработки или потребителей, попутные полезные ископаемые, не используемые

в данный момент, укладываются в отдельные отвалы.

Существует положительная практика применения пустых породы в качестве

сухой закладки подземного выработанного пространства, зон сдвижения и воронок

обрушения на земной поверхности.

Входные и выходные потоки и основное технологическое оборудование, ис-

пользуемое при обращении с пустыми породами, представлены в таблице 2.6.

Подземная разработка железорудных месторождений влияет на атмосфер-

ный воздух, поверхностные и подземные воды, геологическую среду, отчуждение

земель. Масштабы и значение этих воздействий на окружающую среду зависят от

размера и интенсивности горнодобывающей деятельности в сочетании с топогра-

фией и климатическими условиями района, особенностями залегания месторожде-

ния, методами добычи, сельскохозяйственной деятельностью в регионе, наличием

лесных заповедников и т. д.

Таблица

2.6 - Входные и выходные потоки и основное технологическое

оборудование, используемое при обращении с пустыми породами

Этап

Выход-

Основное технологическое

Входной поток

процесса

ной

Эмиссии

оборудование

(подпроцесс)

поток

Электроэнергия

Транспорт

Отвалы

Пустая порода

Подъемные машины и ком-

Сжатый воздух

Подъем

Пыль

плексы

Техническая

Отвалообра-

Выбросы транс-

Локомотивы, вагоны, опро-

вода

зование

порта

кидыватели

ГСМ

Естественный

Автотранспорт, бульдо-

сток с породных

зеры

отвалов

Источниками загрязнения атмосферы являются газопылевые выбросы, об-

разующиеся главным образом от ведения буровзрывных и добычных работ. Газы и

пыль выделяются также с поверхности породных отвалов и складов полезных ис-

копаемых.

Интенсивное пыле- и газообразование происходит во время следующих про-

цессов: бурение шпуров и скважин; взрывание и погрузка взорванной горной массы;

транспортировка, погрузка и перегрузка сырой руды и породы; грохочение, дробле-

ние; работа проходческих, добычных и прочих машин и механизмов. Однако, под-

вергаясь процессу пылеподавления и гидрообеспыливания и проходя по горным

выработкам, запыленный воздух почти полностью самоочищается. Исходящий воз-

дух может иметь потенциальные выбросы твердых частиц, окиси углерода, оксидов

азота и летучих органических соединений. Общие методы для сведения к мини-

муму выбросов твердых частиц включают: использование туманообразователей,

орошение горной массы, распыление воды для поддержания достаточного увлаж-

нения; использование экологически приемлемых химических аэрозолей для стаби-

лизации поверхностей. В процессе отвалообразования рекомендованы: рекульти-

вация участков, которые не будут нарушены в будущем; покрытие самосвалов или

железнодорожных вагонов для сведения к минимуму выбросов во время транспор-

тировки материала; установление ограничения скорости на грунтовых поверхно-

стях, чтобы свести к минимуму выбросы пыли при движении транспортных сред-

ства, учитывая местные погодные условия.

Основной фактор воздействия на водную среду - сброс шахтных вод, загряз-

ненных взвешенными частицами и растворенными химическими веществами, и

естественный сток с породных и рудных отвалов, где возможно бесконтрольное

распространение инфильтрующихся вод. Кроме того, в подземных условиях загряз-

няются дренируемые грунтовые воды, а при откачке шахтной воды образуются де-

прессионные воронки, радиус которых может достигать десятков километров.

Шахтный откачиваемый объем довольно стабильный. Количество воды

обычно не меняется даже сезонно. Вода может быть плохого качества и содержать

остатки взрывчатых веществ, твердых частиц, растворимые соединения металлов

и может иметь низкий pH. Потенциально не исключено присутствие нефтепродук-

тов, обезжиривающих и моющих средств и других вредных веществ, которые могут

повлиять на качество воды и водные экосистемы.

Все предприятия с подземной добычей железных руд обязаны осуществлять

очистку шахтных и сточных вод. Следовательно, устройство оборотных систем во-

доснабжения, ликвидация отвалов, сокращение поступления примесей в сточные

воды путем совершенствования технологических процессов являются первооче-

редными задачами комплекса мероприятий, предупреждающих загрязнение водо-

токов и водоемов сточными водами.

Горный и земельный отвод с поверхностным комплексом зданий и сооруже-

ний, отвалы, очистные сооружения и прочее занимают значительные территории,

которые используются продолжительное время. Подземная добыча вследствие из-

влечения руды и вмещающих пород сопровождается плавным или интенсивным

(редко) сдвижением горного массива. В большинстве случаев эти процессы явля-

ются причиной деформации участков земной поверхности. На таких участках обра-

зуются воронки обрушения, происходят оползни, обвалы. Однако добыча железной

руды подземным способом требует существенно меньшего отчуждения земель и

не вызывает столь значительных нарушений и изменений инфраструктуры и ланд-

шафтов, как открытые горные работы. Кроме того, объемы размещаемых на посто-

янное хранение пустых пород можно все же уменьшить, используя для заполнения

подземных пустот рудника и воронок обрушения на поверхности.

Маркшейдерскими службами каждого предприятия в обязательном порядке

производится контроль образования подземного выработанного пространства, а

также совместно с экологическими и специализированными подразделениями и ор-

ганизациями осуществляется мониторинг влияния его на окружающую среду.

2.3 Обогащение железных руд

2.3.1 Общие сведения

Обогащение руд - совокупность методов разделения металлов и минералов

друг от друга по разнице их физических и/или химических свойств.

В результате обогащения составные компоненты руды выделяются в от-

дельные продукты: концентраты (один или несколько) и хвосты (см. рисунок 2.5).

Если из руды получают два и более концентратов различных полезных компонен-

тов, обогащение называется комплексным.

Руда

Обогащение

Концентрат

Хвосты

Рисунок 2.5 - Принципиальная схема обогащения с выделением двух

продуктов - концентрата и хвостов

Технология обогащения руды представляет собой ряд последовательных

операций (процессов), в результате которых происходит отделение одного или не-

скольких полезных компонентов от примесей. Процессы обогащения по своему

назначению делятся на подготовительные, основные (собственно процессы разде-

ления минералов) и вспомогательные (см. рисунок 2.6).

Подготовительные процессы - дробление, измельчение, грохочение и клас-

сификация - предназначены для получения продукта заданной крупности, требуе-

мой для последующего процесса.

Дробление и измельчение - процессы уменьшения размеров кусков полез-

ных ископаемых под воздействием внешних сил. При дроблении получают про-

дукты крупнее 5-8 мм, при измельчении - менее 5 мм.

Для разделения руды, дробленого или измельченного материала на про-

дукты различной крупности применяют грохочение и классификацию.

Грохочение - рассев руды на классы крупности на решетах или ситах с ка-

либрованными отверстиями.

Классификация - разделение дробленой или измельченной руды по крупно-

сти, основанное на выносе мелких частиц движущимся водным или воздушным по-

током.

Подготовительные

Основные

Вспомогательные

Рисунок 2.6 - Обобщающая схема технологического процесса

обогащения

К основным относятся процессы собственно обогащения - разделения мине-

ралов, в результате которых полезные компоненты выделяются в виде концентра-

тов, а порода и примеси удаляются в виде хвостов. Процессы обогащения (разде-

ления) основаны на различиях в физических или физико-химических свойствах раз-

деляемых минералов: крупности, форме, плотности, магнитной восприимчивости,

электропроводности, смачиваемости и др.

В гравитационных процессах используются различия в плотности, крупности

и форме зерен.

Магнитный метод (магнитная сепарация) обогащения основан на различиях

удельной магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости минералов, сла-

гающих руду.

Электрический метод (электрическая сепарация) обогащения использует

различия в электропроводности и способности минералов приобретать под воздей-

ствием тех или иных внешних сил различные по величине и знаку электрические

заряды.

Флотационный метод (флотация) обогащения основан на различиях в фи-

зико-химических свойствах поверхности минералов, обуславливающих их различ-

ную смачиваемость водой, характеризуемых свойствами гидрофильности или гид-

рофобности поверхности различных минералов, определяемых краевым углом

смачивания.

Специальные методы обогащения основаны на различиях в оптических (фо-

тометрическая сепарация), люминесцентных (люминесцентная сепарация), радио-

метрических (радиометрическая сепарация) и некоторых других свойствах минера-

лов.

К вспомогательным относятся процессы обезвоживания, пылеулавливания,

сушки. Сушка является одним из способов обезвоживания.

Подготовительные, основные и вспомогательные процессы в совокупности

образуют технологическую линию, или технологический процесс обогащения.

Схема процесса обогащения представлена на рисунке 2.7.

Особое место на обогатительной фабрике занимают процессы производ-

ственного обслуживания, предназначенные для нормального функционирования

технологических процессов. К числу процессов производственного обслуживания

относятся внутрифабричный транспорт руды и продуктов обогащения (конвейеры,

пульпопроводы), водоснабжение, электроснабжение, снабжение сжатым воздухом,

контроль технологических параметров процесса, технологический контроль каче-

ства продуктов обогащения и т. д.

Рисунок 2.7 - Обобщенная структурная схема технологической

цепочки обогащения железных руд

2.3.2 Дробление, измельчение, классификация

Дробление - уменьшение крупности материала под воздействием внешних

сил. По своему назначению процесс дробления может быть подготовительным и

самостоятельным.

В зависимости от крупности исходной руды и крупности дробленого продукта

различают три стадии дробления:

1) крупное - от 1500-300 до 350-100 мм;

2) среднее - от 350-100 до 100-40 мм;

3) мелкое - от 100-40 до 30-5 мм.

Процесс дробления является энергоемким и дорогостоящим, поэтому реко-

мендуется соблюдать принцип «не дробить ничего лишнего», применяя предвари-

тельное или контрольное грохочение.

Для осуществления этого принципа перед каждой стадией дробления сле-

дует путем грохочения выводить мелкий класс. В зависимости от сочетания опера-

ций дробления и грохочения схема рудоподготовки бывает открытая и замкнутая.

При дроблении в открытом цикле каждый кусок руды проходит через дро-

билку данной стадии только один раз (см. рисунок 2.8). При дроблении в замкнутом

цикле наиболее крупные и чаще труднодробимые куски руды выделяются из дроб-

леного продукта на грохоте (контрольное грохочение) и возвращаются на додраб-

ливание в ту же дробилку (см. рисунок 2.9).

Рисунок 2.8 - Схемы одностадиального дробления в открытом цикле

Рисунок 2.9 - Схемы одностадиального дробления в замкнутом цикле

Измельчение - процесс разрушения (дезинтеграции) кусков (частиц) твер-

дого материала для доведения их размера до требуемой крупности (от 5 мм до де-

сятков микрон), гранулометрического состава, заданной или требуемой, в зависи-

мости от вкрапленности полезного минерала, степени раскрытия минералов.

Классификация сыпучих материалов - это разделение дисперсного матери-

ала на классы крупности.

Классификация может быть как самостоятельной, так и подготовительной

или вспомогательной операцией. Самостоятельную операцию называют сортиров-

кой. Цель сортировки - получение товарного продукта с заданным зернистым со-

ставом для отправки потребителю. Классификация является подготовительной,

если необходимо выделить имеющийся мелкий класс, чтобы не направлять его в

процесс дробления или измельчения. Классификация является вспомогательной

операцией, когда крупные фракции отделяют для возврата на повторное дробле-

ние или измельчение.

Существуют три вида классификации: механическая - грохочение, пневма-

тическая - сепарация и гидравлическая.

Грохочение - это способ разделения материала по классам крупности путем

просеивания через разделительную перегородку, называемую просеивающей по-

верхностью. Сепарация - это разделение за счет различных скоростей движения

частиц в воздушном потоке. Гидравлическая классификация основана на различии

скоростей осаждения или движения в жидкой среде.

Тонкое грохочение, применяемое для разделения частиц в диапазоне круп-

ности от 10 мм до 38 мкм, базируется на применении вибрационных грохотов, со-

вершающих эллиптическое или прямолинейно направленное движение. Тонкое

грохочение обычно осуществляется с высокой частотой и низкой амплитудой коле-

баний вибрационных грохотов.

В технологическом процессе обогащения железных руд наибольшее распро-

странение получили грохочение и гидравлическая классификация (см. рису-

нок 2.10).

Рисунок 2.10 - Способы классификации материала

2.3.3 Обогащение

Обогащение - это процессы разделения минералов на полезный компонент

и пустую породу.

К основным методам обогащения относятся следующие.

Гравитационные - это такие методы, в которых разделение минеральных

частиц, отличающихся плотностью, размером и формой, обусловлено различием в

характере и скорости их движения в текучих средах под действием силы тяжести и

сил сопротивления. Они могут быть собственно гравитационными (разделение в

поле силы тяжести - обычно для относительно крупных частиц) и центробежными

(разделение в центробежном поле - для мелких частиц). Если разделение проис-

ходит в воздушной среде, то процессы называют пневматическими; в остальных

случаях - гидравлическими. Наибольшее распространение в обогащении получили

собственно гравитационные процессы, осуществляемые в воде.

По типу используемых аппаратов гравитационные процессы можно разде-

лить на отсадку, обогащение в тяжелых средах и обогащение на наклонной плос-

кости в потоке воды: концентрацию на столах, обогащение на шлюзах, в желобах,

винтовых сепараторах. Применяют также относительно новые гравитационные

процессы - обогащение в вибрационных концентраторах, противоточных сепара-

торах, обогатительных циклонах с водной средой и др.

Флотационные методы обогащения - методы, основанные на различиях в

физико-химических свойствах поверхности минералов, которые обуславливают их

различную смачиваемость водой. Флотация основана на различном закреплении

частиц разделяемых минералов на межфазной границе, что определяется разли-

чием в поверхностных свойствах минералов. При пенной флотации, наиболее при-

меняемой в промышленности, пульпу насыщают газом, и частицы некоторых мине-

ралов прилипают к пузырькам газа и всплывают на поверхность, образуя минера-

лизованную пену, которая легко удаляется механическим путем. Другие минералы

не прилипают и остаются в объеме пульпы. По способу насыщения пульпы газом

различают несколько видов пенной флотации, однако наибольшее распростране-

ние получило насыщение пульпы воздухом.

Магнитные методы обогащения основаны на различиях в магнитных свой-

ствах разделяемых минералов, что получило широкое распространение в произ-

водстве магнетитовых концентратов.

Электрическое обогащение основано на различиях в электрических свой-

ствах разделяемых минералов и осуществляется под влиянием электрического

поля.

Специальные методы обогащения включают ручную рудоразборку, радио-

метрическое обогащение, обогащение по трению и форме, обогащение по упруго-

сти, термоадгезионное обогащение, а также обогащение, основанное на селектив-

ном изменении размера куска при дроблении. Наибольшее распространение из пе-

речисленных методов получило радиометрическое обогащение, основанное на

различии в способности минералов отражать, испускать и поглощать различные

виды излучения. Радиометрическое обогащение широко применяют при перера-

ботке руд цветных металлов.

Комбинированные методы используют пиро- или гидрометаллургические

операции, приводящие к изменению химического состава сырья. Используемые пи-

рометаллургические операции - обжиг, плавка, конвертирование; гидрометаллур-

гические - выщелачивание, осаждение, экстракция, сорбция. Например, обжиг при-

меняют для изменения магнитных свойств слабомагнитных минералов железа (кар-

бонатов, оксидов, гидроксидов). При нагревании до 600-800 °C гематит (красный

железняк Fе2О3) восстанавливается газообразными или твердыми восстановите-

лями (окись углерода, водород, природный газ, уголь и др.) до сильномагнитного

магнетита Fe3O4. Процесс этот иногда называют восстановительным обжигом. Обо-

жженную руду обогащают на магнитных сепараторах со слабым магнитным полем

аналогично обогащению природных магнетитовых руд.

Магнитный метод обогащения руд

Этот метод наиболее широко применяется для обогащения руд черных и до-

водки некоторых цветных и редких металлов.

Разделение руды в магнитном поле под влиянием магнитных и механических

сил осуществляется в режиме извлечения магнитных минералов (нижнее питание)

или в режиме их удерживания (верхнее питание). Средой, в которой осуществля-

ется разделение минералов, может быть воздух или вода. В соответствии с этим

процесс называется сухой или мокрой магнитной сепарацией.

Магнитные свойства минералов характеризуются удельной магнитной вос-

приимчивостью χ, которую измеряют в кубических сантиметрах на грамм. По ее зна-

чению все природные минералы разделены на три группы: сильномагнитные, сла-

бомагнитные и немагнитные.

К сильномагнитным, или ферромагнитным, относятся в основном железосо-

держащие минералы (магнетит, пирротин и др.) с удельной магнитной восприимчи-

востью не менее 3 10^-3 см³/г, извлекаемые на сепараторах со слабым полем напря-

женностью Н <1500 Э (до 120 кА/м).

К слабомагнитным относится большая группа минералов (например, гема-

тит, ильменит, гранат) с меньшей удельной магнитной восприимчивостью: от 3 10^-3

до 15 10^-6 см³/г. Извлечение этих минералов при магнитном обогащении произво-

дится на сепараторах с сильным полем напряженностью 10 000-20 000 Э (от 800

до 1600 кА/м).

К немагнитным относятся минералы (кварц, апатит и др.), обладающие

удельной магнитной восприимчивостью менее 15 10^-6 см³/г и не извлекаемые ме-

тодами магнитной сепарации на современных сепараторах с полем напряженно-

стью до 20 000 Э.

Минеральные зерна, для которых магнитная сила больше суммы противо-

действующих механических сил (тяжести, инерции, центробежной, сопротивления

среды и т. д.), будут притягиваться к полюсам магнитной системы сепаратора и из-

влекаться в магнитный продукт. Минеральные зерна с низкой магнитной восприим-

чивостью практически не меняют намагниченности, не взаимодействуют с внешним

магнитным полем, и движутся в магнитном поле по траектории, зависящей от воз-

действия только механических сил. Эти минеральные зерна выделяются в немаг-

нитный продукт.

В зависимости от типа устройства для транспортирования магнитного про-

дукта из зоны действия магнитной силы различают барабанные, валковые, ролико-

вые, дисковые, ленточные, шкивные и другие сепараторы. В свою очередь бара-

банные, валковые, роликовые и ленточные сепараторы бывают с верхней и нижней

подачей обогащаемого материала. Такие сепараторы можно использовать для су-

хой и мокрой сепарации. Барабанные, валковые, шкивные и ленточные сепараторы

предусмотрены для обогащения сильномагнитных руд, роликовые, валковые и дис-

ковые - для слабомагнитных руд.

Материал в сепаратор можно подавать в сухом или в мокром виде (в виде

пульпы). Так как во втором случае устраняется пылеобразование, то он имеет го-

раздо большее распространение.

Для обогащения руд крупностью более 6 мм применяется сухая магнитная

сепарация. Руды крупностью менее 1,6 мм обогащаются предпочтительно мокрым

способом. Кроме подавления пылеобразования это позволяет повысить эффектив-

ность обогащения, так как в водной среде разделение мелких частиц более полное.

Для сухого обогащения крупнокусковых магнетитовых руд применяют трех-

барабанные сепараторы с верхней загрузкой руды.

Сухая магнитная сепарация (СМС) позволяет на начальной стадии обогаще-

ния железных руд отделить немагнитную фракцию и тем самым снизить затраты на

дальнейшую их переработку. Сухой сепарации, как правило, подвергается класс

крупности менее 25 мм. Разделение материала по крупности производится на гро-

хотах. Класс крупности более 25 мм выделяется на грохотах и возвращается в

дробление.

С целью выделения отвальных хвостов применяют барабанные сепараторы

с магнитными системами с постоянными магнитами или электромагнитами, питаю-

щимися постоянным током.

Исходная руда из бункера с помощью вибролотка подается в верхнюю часть

барабана. Магнитная фракция притягивается к поверхности барабана и разгружа-

ется в бункер для магнитного продукта в тот момент, когда участок барабана выхо-

дит из зоны действия магнитной системы. Немагнитная фракция транспортируется

барабаном и разгружается в бункер для немагнитного продукта.

Регулировка качества и количества сухих хвостов осуществляется с помо-

щью шибера и скорости вращения барабана.

Магнитная фракция сухой сепарации поступает на первую стадию измельче-

ния (для дальнейшей сепарации иными методами). Немагнитная фракция посту-

пает в корпус сортировки, где на грохотах может быть выделен товарный щебень

(или иной полезный продукт) и высева (мелочь).

При мокром обогащении процесс проходит в 3-5 стадий, на каждой из кото-

рых руда измельчается и подвергается магнитной сепарации. Это позволяет избе-

жать больших расходов на измельчение пустой породы. На первых стадиях для

руды крупностью 5-50 мм применяется сухая сепарация, при этом удаляется зна-

чительная часть немагнитных компонентов. Промпродукт сухой сепарации для бо-

лее полного раскрытия зерен руды направляют на мокрое измельчение и магнит-

ную сепарацию в водной среде.

Принципиальные схемы устройства магнитных сепараторов для мокрого обо-

гащения руд с нижней подачей материала показаны на рисунке 2.11. В прямоточ-

ных сепараторах (а) направления движения барабана и потока пульпы совпадают,

в противоточных (б) - направлены навстречу друг другу, а в полупротивоточных

(в) - пульпа подается снизу и разделяется на два потока: по направлению движе-

ния барабана (магнитная часть) и против, с нижней подачей материала.

1 - зернистый немагнитный продукт; 2 - магнитный продукт; 3 -

тонкозернистый немагнитный продукт; 4 - зернистый и

тонкозернистый немагнитные продукты

Рисунок 2.11 - Схемы магнитных сепараторов для мокрого обогащения руд

Основным узлом магнитного сепаратора является барабан, изготовленный

из немагнитного материала, с резиновой обклейкой, в котором расположена непо-

движная магнитная система. Исходный материал в виде пульпы через загрузочную

коробку подается на загрузочный лоток и направляется в магнитное поле.

Немагнитные частицы (отходы) под действием силы гравитации попадают

вниз, а магнитные (концентрат) - притягиваются к барабану и увлекаются им до

разгрузочного лотка. По выходу из зоны действия магнитного поля концентрат от-

стает от барабана и попадает на лоток. Кроме того, на барабан подается вода че-

рез так называемое брызгало, с равномерным и безнапорным переливом через по-

рог по всей длине лотка и на поверхность барабана сепаратора выше концентра-

ционного потока для смыва оставшегося на барабане концентрата.

В настоящее время в производстве концентрата применяются сепараторы

четырех типоразмеров 90/250, 120/300, 150/200 и 150/300, где первая цифра соот-

ветствует диаметру барабана в сантиметрах, а вторая обозначает длину барабана

в сантиметрах.

Производительность сепаратора с барабаном диаметром 120 см ориентиро-

вочно составляет 120 т/ч, а с барабаном 150 см - 250 т/ч. Однако производитель-

ность сепаратора сильно изменяется в зависимости от крупности, магнитных

свойств материала, плотности пульпы.

При обогащении тонкоизмельченного материала в прямоточных сепараторах

не все частицы рудного минерала успевают притянуться к барабану и попадают в

отходы. Применение противотока устраняет этот недостаток - поток исходного ма-

териала движется навстречу вращающемуся барабану. Он увлекает наверх кон-

центрат, который сливается через специальный порог, а немагнитные частицы про-

ходят под барабаном через ванну и сливаются вниз. Такие сепараторы позволяют

обеспечить извлечение железа до 90%.

Прямоточный режим сепарации эффективен, когда содержание частиц

класса менее 74 мкм не превышает 30%, как правило, это первая стадия обогаще-

ния.

Если в питании сепаратора содержится от 30 до 70% частиц класса минус

74 мкм, применяют мокрые барабанные магнитные сепараторы, работающие в ре-

жиме противотока, т. е. сепараторы ПБМ-П (буква П после тира показывает, что се-

паратор работает в противоточном режиме). Противоточный режим организуется

так, что исходная пульпа с содержанием твердого 35-40% подается в ванну сепа-

ратора, немагнитный продукт движется в том же направлении, что и исходное пи-

тание, а барабан вращается навстречу. При этом часть исходной пульпы увлека-

ется барабаном (т. е. в основном магнитный продукт), а другая часть пульпы дви-

жется в своем направлении. В связи с тем, что глубина рабочей зоны не меняется,

то гидродинамический режим в ванне становится интенсивным, так как скорость

пульпы возрастает.

Полупротивоточный режим работы барабанных мокрых сепараторов приме-

няется, когда содержание класса меньше 74 мкм становится более 70% и может

увеличиваться до 95%.

Обозначение сепаратора записывается как ПБМ-ПП. Две буквы П после тира

обозначают, что сепаратор имеет конструкцию ванны, при которой исходное пита-

ние - пульпа - подается снизу ванны, а барабан с магнитной системой вращается

в направлении, противоположном движению немагнитного продукта.

Каждый из этих типов сепараторов имеет свои области применения, где они

наиболее эффективны.

2.3.4 Обезвоживание: сгущение и фильтрование

Обезвоживанием называется процесс удаления воды (влаги) из продуктов

обогащения.

Процесс обезвоживания состоит из операций механического удаления воды

из продуктов обогащения - сгущения, фильтрации и термической сушки. В резуль-

тате сгущения получают концентрат с содержанием твердого компонента в песках

сгущения до 60-75%. При фильтровании содержание влаги в концентрате снижа-

ется до 7-15%, при сушке - до 0,5-7%.

На процесс обезвоживания оказывают влияние свойства поверхности мине-

ралов, их минералогический и гранулометрический состав, удельная поверхность,

содержание твердого компонента в исходной пульпе, плотность твердой фазы, зна-

чение pH среды, температура пульпы и друге факторы.

Сгущение - процесс повышения содержания твердого компонента в пульпе

путем осаждения и уплотнения твердых частиц с вытеснением слоя воды. Как пра-

вило, в сгустителях параллельно происходит усреднение концентрата, поступаю-

щего с нескольких технологических линий обогащения.

Фильтрованием называются операции обезвоживания мелкозернистых

пульп и суспензий, основанные на принудительной, под давлением или вакуумом,

фильтрации содержащейся в них воды через фильтрующую пористую перегородку

(поверхность), непроницаемую для твердых частиц пульпы (суспензии). Твердые

частицы, задержанные фильтрующей перегородкой, называются осадком, а вода,

проходящая сквозь перегородку, - фильтратом. Фильтрование осуществляется на

дисковых вакуум-фильтрах, ленточных, барабанных и пресс-фильтрах. Рабочим

элементом дисковых вакуум-фильтров является фильтрующая поверхность - пе-

регородка. По обеим сторонам фильтрующей перегородки создается разность дав-

лений для принудительной фильтрации воды за счет вакуума - разрежения воз-

духа - путем откачивания его из-под фильтрующей перегородки. В качестве филь-

трующей перегородки используются специальная ткань, пористая керамика.

Фильтрование происходит следующим образом. Пульпа подается в ванну, в

которую погружаются диски с секторами из фильтрующей поверхности. Под дей-

ствием вакуума вода из пульпы фильтруется через осадок из твердых частиц и

фильтрующую поверхность. После накопления достаточного слоя осадка подача

пульпы на фильтрующую поверхность прекращается и осадок еще некоторое

время просушивается прососом воздуха через него, а затем снимается с фильтру-

ющейся поверхности (см. рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - Дисковый вакуумный фильтр

Фильтрование в пресс-фильтрах происходит за счет избыточного давления,

создаваемого сжатым воздухом. Исходную суспензию под давлением подают од-

новременно во все камеры. При заполнении камер происходит процесс фильтро-

вания. Жидкая фаза, проходя через слой фильтроткани, удаляется по специаль-

ным каналам между ребрами пластин и отверстиями в плитах. Твердые частицы

удерживаются в фильтроткани. Фильтрование продолжается до полного заполне-

ния камер осадком, затем осуществляют отжатие кека и отдувку осадка сжатым

воздухом. По окончании фильтрования пластины раздвигаются, и готовый концен-

трат разгружается на ленточный конвейер. После окончания разгрузки и промывки

пластин цикл фильтрования повторяют.

Фильтрация концентратов на обогатительной фабрике осуществляется на

фильтровальном участке.

2.3.5 Сушка концентрата (аглоруды)

Сушка - широко распространенный (хотя и вспомогательный) процесс при

обогащении твердых полезных ископаемых. Сушка - последняя стадия обезвожи-

вания твердых материалов.

Влажность высушенных продуктов обогащения должна исключить возмож-

ность их смерзаемости в зимнее время при перевозке или хранении. Допустимая

для транспортировки влажность продуктов руд и их концентратов составляет 3-5%.

Для сушки железорудного концентрата (аглоруды) могут применяться: бара-

банная конвективная сушка, трубы-сушилки (чаще всего применяется для матери-

ала крупностью до 15 мм), сушилки с кипящим слоем (сушка материала крупностью

6-10 мм). При конвективной сушке в качестве теплоносителя и одновременно

агента сушки используются горячие дымовые газы от сгорания мазута или природ-

ного, доменного и др. газов.

Для контактной сушки используют подовые сушилки, в которых генератором

тепла являются электропечь, барабанные трубчатые сушилки. При контактной

сушке в качестве теплоносителя используется отработанный пар, тепло от которого

передается агенту сушки (воздуху) и материалу через нагретые паром поверхности.

На обогатительных фабриках наибольшее распространение получили су-

шилки с конвективным способом сушки с прямым теплообменом (см. рисунок 2.13).

Паровые сушилки находят ограниченное применение.

В целях интенсификации теплообменных процессов внутри сушильных бара-

банов устанавливают внутренние насадки различной конструкции, в результате

чего тепло материалу передается не только конвективным способом от газового

потока, но и контактным способом от нагретых насадок.

При сушке продукты обогащения обезвоживаются за короткий промежуток

времени до воздушно-сухого состояния. Процесс сушки зависит от влажности про-

дукта, подвергаемого сушке, его гранулометрического состава, параметров тепло-

носителя.

Газовоздушные потоки направляются в системы очистки.

Улавливаемая пыль гидротранспортом направляется в хвостовой лоток. Во

избежание потерь концентратов (аглоруды) дренажные смывки из отделений сушки

перекачиваются раздельно в сгустители отделения сгущения.

Рисунок 2.13 - Типовая схема сушки концентрата

Дымовые газы с температурой 600-900 °C поступают в сушильный барабан

в виде газовоздушной смеси и проходят вдоль барабана в разгрузочную камеру,

откуда вентилятором подаются в очистные устройства, а затем выбрасываются в

атмосферу или частично направляются снова в процесс (см. рисунок 2.13).

При вращении барабана материал постепенно перемещается к разгрузочной

камере. Сушильный агент движется в барабане под действием разрежения, созда-

ваемого дымососом.

Сушильные барабаны выпускают диаметром 1-2,2 м, длиной 4-16 м и диа-

метром 2,5-3,5 м, длиной 14-27 м. Имеются также сушильные барабаны диамет-

ром 4 и 4,5 м и длиной 28-35 м.

Для уменьшения потерь тепла наружную поверхность барабана покрывают

кожухом из листовой стали, заполненным теплоизолирующим материалом. При

этом температура наружной стенки не должна превышать 40 °C. На концах сушиль-

ного барабана устанавливают уплотнительные устройства с целью предотвраще-

ния подсосов воздуха.

Степень заполнения объема барабана в среднем составляет 10-12%, время

пребывания материала в барабане - от 15 до 40 мин в зависимости от его началь-

ной и конечной влажности.

Достоинства газовых барабанных сушилок: высокая надежность в работе,

применимость для сушки продуктов широкого диапазона крупности - от тонкоиз-

мельченных концентратов до кускового материала, сушка продуктов при высоких

температурах нагретых газов, высокая производительность.

2.3.6 Складирование, транспортирование

Подготовка концентратов к отгрузке осуществляется на складах концентра-

тов. Склады концентратов предназначены:

- для раздельного хранения готовых концентратов после обезвоживания или

сушки;

- для шихтовки некондиционных концентратов по содержанию основных ком-

понентов и по содержанию примесей.

Склады выполняют закрытыми, распределение концентратов производится

ленточными конвейерами с передвижными самоходными штабелеукладчиками.

Разгрузка концентратов из склада, шихтовка некондиционных концентратов

производятся грейферными кранами, роторными заборщиками, реклаймерами. Вы-

дача концентратов из склада производится ленточными конвейерами с передвиж-

ными самоходными бункерами, оборудованными ленточными питателями.

Погрузка концентратов предусматривается в открытые полувагоны ленточ-

ными конвейерами, управляемыми дистанционно из помещения железнодорожной

весовой.

2.3.7 Оборотное водоснабжение, хвостовое хозяйство, сточные воды

В процессе обогащения полезных ископаемых на обогатительной фабрике по-

лучают концентрат железорудный и хвосты (отходы мокрой магнитной сепарации,

дешламации), которые по хвостовым лоткам из цехов обогатительных фабрик посту-

пают в камеры распределения хвостов цеха хвостового хозяйства. В камерах проис-

ходит гидравлическая классификация хвостов в зумпфах - отстойниках на пески (круп-

ную фракцию) и слив.

При сгущении хвостов основной задачей является выделение из пульпы ее

твердой составляющей и получение осветленной воды, которая возвращается на

обогатительную фабрику для повторного использования в технологическом про-

цессе обогащения. Сгущенные хвосты транспортируются и складируются в хвосто-

хранилище. Таким образом, на обогатительной фабрике применяется замкнутая

схема оборотного водоснабжения.

Технологическая вода из насосного оборотного водоснабжения транспорти-

руется в цеха ОФ по водоводам.

Хвостовым хозяйством называется комплекс сооружений и установок для

гидравлического транспорта и гидравлической укладки хвостов обогатительной

фабрики. В состав хвостовых хозяйств входят следующие сооружения: насыпные и

намывные плотины, дамбы обвалования хвостохранилищ и вторичных отстойни-

ков, водосборные сооружения для отвода вод из хвостохранилищ, хвостовые

насосные станции и насосные станции оборотного водоснабжения с энергетиче-

ским и гидромеханическим оборудованием, хвостопроводы и сооружения по трассе

хвостопроводов (эстакады, дюкеры и др.), водоводы оборотного водоснабжения,

электрические подстанции оборотного водоснабжения, сгустители для хвостов, со-

оружения для химической очистки хвостовых вод, аварийные бассейны, водопри-

емные и водосборные, сооружения для отвода ручьев и речек, подсобные соору-

жения, склады и помещения для обслуживающего персонала, связь и сигнализа-

ция.

Отвод осветленных вод из пруда хвостохранилища обычно производится с

помощью водоприемных колодцев шандорного или сифонного типа и водосброс-

ного коллектора (см. рисунок 2.14).

1 - станция оборотного водоснабжения; 2 - водобойные колодцы;

3 - насыпная плотина; 4 - дамбы обвалования; 5 - водоприемные колодцы;

6 - водосбросной коллектор

Рисунок 2.14 - Схема отвода осветленной воды из хвостохранилища

Осветленная вода из пруда через сливные окна поступает внутрь водопри-

емных колодцев и по водосборному коллектору, уложенному с уклоном, перетекает

на станцию оборотного водоснабжения, перед которой предусмотрены водобойные

колодцы для снижения энергии движущегося потока.

Водосборные сооружения располагаются таким образом, чтобы обеспечива-

лась возможность отвода осветленной воды пруда-отстойника с различных ее го-

ризонтов в процессе наращивания дамб обвалования. Положение водоприемных

колодцев определяется топографическими условиями местности и обеспечением

требуемого осветления воды. Это достигается тем, что в любой момент эксплуата-

ции хвостохранилища расстояние от точки подачи хвостовой пульпы до сбора

осветленной воды через отверстия в стенках водоприемного колодца должно быть

достаточным для осаждения твердых частиц. Отвод осветленной воды из пруда

производится с помощью водоприемных колодцев шахтного типа, которые выпол-

няются с кольцевыми плоскими шандорами.

Водоприемные колодцы с отверстиями или пазами в стенках располагаются

таким образом, чтобы при сбросе осветленной воды через верхнее отверстие од-

ного колодца можно было произвести сброс воды через нижнее отверстие следую-

щего. Обычно водоприемные колодцы перекрывают друг друга не менее чем на

1,5 м. Высота переливающегося слоя воды над отверстиями водоприемного ко-

лодца составляет 0,15-0,6 м. Минимальная глубина воды у водоприемного колодца

с учетом толщины льда должна быть не менее 1,5 м.

Если через сливное окно колодца начинает поступать недостаточно освет-

ленная вода, его перекрывают шандорой и прием воды производят со следующего

по высоте окна. По мере заиливания ближайшего к плотине водоприемного ко-

лодца и повышения уровня воды в пруде прием осветленной воды производится со

следующего колодца. Водоприемник полностью закрывается после того, как в верх-

ний ряд окон начинает поступать мутная вода, что показывает наличие в ней твер-

дой фазы. После этого колодец плотно перекрывается и заливается хвостами.

Степень осветления воды в пруде хвостохранилища зависит от крупности ча-

стиц твердой фазы пульпы, времени отстаивания, реагентов, применяемых на обо-

гатительной фабрике, и обычно определяется экспериментально.

Современные процессы обогащения полезных ископаемых основаны на ис-

пользовании значительных количеств воды на технологические цели. Помимо рас-

хода воды на технологические нужды, вода подается для вспомогательных и под-

собных операций, для гидротранспорта продуктов, а также на охлаждение масло-

охладителей и подшипников дробилок, масляных станций мельниц, вакуум-насо-

сов, дымососов, гидроуборку просыпей, пылеподавление, аспирационные уста-

новки, мокрую уборку помещений, на растворение флотационных реагентов.

На обогатительную фабрику может подаваться свежая вода из естественного

водоема, повторная вода после использования ее на других предприятиях или в быту

и оборотная вода, подаваемая из хвостохранилища или отдельных переделов обога-

щения.

Основное оборудование обогатительной фабрики представлено в таб-

лице 2.7.

Таблица 2.7 - Основное оборудование

Наименование оборудования

Назначение оборудования

Описание

Дробилки

Дробление и измельчение

Конусные ККД 1500/230,

материала

КРД 700/100, КСД 2200,

КМДТ-2200, щековые, вал-

ковые

Классификаторы

Разделение твердых ча-

Спирального типа, гидро-

стиц по размерам

циклоны, вибрационные

грохота

Мельницы

Измельчение твердых ча-

Мельницы мокрого полу-са-

стиц до размера менее

моизмельчения, мельницы

0,1 мм

ММС90 × 30, ММС

9350 × 3100, ММС

9500 × 2900, рудно-галеч-

ные МРГ 55 × 75, шаровые

мельницы МШРГУ45 × 60,

500 × 6000, МШЦ 45 × 60,

МШР 40 × 50, стержневые

мельницы МСЦ

Магнитный сепаратор

Обогащение - отделение

Магнитные сепараторы ба-

магнитных частиц железа

рабанного типа ПБМ-

от немагнитных частиц пу-

П90/250, ПБМ-ПП 120/300,

стой породы

150/200

Магнитные дешламаторы,

Обогащение измельченных

МД-9, МГC-9

гидросепараторы

частиц методом гравитации

Окончание таблицы 2.7

Наименование оборудования

Назначение оборудования

Описание

Фильтр

Обезвоживание концентр-

Вакуумные фильтры ДШ

ата до содержания влаги

100-2,5У, ДШ 63-2,5У, кера-

менее 11%

мические фильтры

Сушильный барабан

Обезвоживание концентр-

Сушильный барабан СБ

ата до содержания влаги

3,5 × 27-ЛС, СБ 3,5 × 27-НУ

менее 3%

Сгуститель

Сгущение пульпы, концен-

Радиальные Ц-50, П-50, Ц-

тратов, хвостов с повыше-

100, КРХ-2, перифериче-

нием содержания твердого

ские, пластинчатые сгусти-

компонента

тели

Насосы

Транспортирование жидких

Центробежные, объемного

сред (вода, пульпа)

типа, перистальтические

и др.

2.4 Окускование. Производство железорудных окатышей

2.4.1 Общие сведения

Окускование - процесс укрупнения рудной мелочи или тонкоизмельченных

концентратов c получением кусковых агрегатов различной формы и размеров пу-

тем физического, химического, термического или комбинированного воздействия.

Применяют для подготовки сырья к металлургическому переделу, промышленному

использованию или транспортировке полученных продуктов. Рост производства

тонкоизмельченных концентратов обусловлен ростом вовлечения в промышлен-

ную переработку руд с содержанием полезного компонента менее 35%.

Окусковываются материалы крупностью частиц менее 5 мм, так как исполь-

зование их в такой крупности ухудшает газопроницаемость шихты и увеличивает

вынос материала дутьем из металлургических печей. Применяют 3 способа окуско-

вания: агломерацию, брикетирование и окомкование (или окатывание). B резуль-

тате окускования частиц получаются: при агломерации - агломерат крупностью 5-

60 мм, при окомковании - окатыши в основном крупностью 5-18 мм, при брикети-

ровании - брикеты различной геометрической формы необходимых габаритов и

массы.

Окомкование (окатывание) - метод окускования пылевидной рудной мелочи

или тонкоизмельченных концентратов, спекание которых затруднительно. Окомко-

вание состоит из двух стадий: получения сырых окатышей в результате слипания

влажных частиц исходного сырья в грануляторах и высокотемпературного упроче-

ния окатышей (подсушка и обжиг).

Общая схема технологического процесса представлена на рисунке 2.15.

2.4.2 Исходные сырьевые материалы

Шихта для производства железорудных окатышей состоит из железорудной

части - концентрата, связующей добавки - бентопорошка, иногда с добавлением

полимерного связующего и флюсоупрочняющих добавок.

Определяющим показателем при выборе концентрата для окомкования яв-

ляется химический состав. Обычно для окомкования используют концентраты, со-

держащие более 60% железа.

Высокие требования предъявляют к гранулометрическому составу концен-

тратов, используемых для производства окатышей. Это связано с тем, что наибо-

лее важным фактором, определяющим механическую прочность окатышей, явля-

ется размер зерна, удельная поверхность концентрата: прочность сырых окатышей

тем выше, чем больше контактов между отдельными частицами.

Большое значение имеют форма и поверхность зерен концентрата после из-

мельчения. Форма и поверхность зерен определяются минералогическим и хими-

ческим составом, а также предварительной обработкой концентрата. Форма зерен

разнообразна: многогранники, сферы, пластинки, разветвленные дендриты. Основ-

ное влияние на прочность сырых окатышей оказывает суммарная площадь контак-

тов зерен, которая максимальна при многогранной форме зерен. Нежелательной

является дендритная форма зерен, так как при окомковании они образуют только

точечные контакты. Оценку поверхности частиц концентрата ведут по ее шерохо-

ватости.

Для получения сырых окатышей значение имеет влажность концентратов.

Считается, что оптимальной влажностью является такое содержание влаги в

шихте, которое обеспечивает максимальный выход сырых окатышей заданного

размера. Влажность концентратов, используемых для производства окатышей, со-

ставляет 8,5÷10%. Колебание влажности концентратов желательно не более

0,20÷0,25%.

Железорудный концентрат при достаточной тонкости помола в сочетании с

некоторым количеством воды без каких-либо добавок может комковаться с образо-

ванием сырых окатышей. Однако после высушивания такие окатыши имеют малую

механическую прочность при ударе и раздавливании. Поэтому для придания сы-

рым окатышам достаточной прочности используются различного рода связующие

вещества.

В современной практике в качестве связки наиболее часто используют бен-

тонит. Бентонитовые глины необходимы как связующие материалы для достижения

требуемого гранулометрического состава и прочностных свойств окатышей.

Два основных свойства, присущие бентониту, определили его широкое ис-

пользование в металлургической промышленности для получения окатышей: набу-

хаемость, или способность сорбировать воду, и тиксотропность - способность суб-

станции уменьшать вязкость (разжижаться) от механического воздействия и увели-

чивать вязкость (сгущаться) в состоянии покоя.

Зачастую в шихту железорудных окатышей добавляют флюсоупрочняющие

добавки. Основным назначением данных добавок является формирование требуе-

мых металлургических свойств окатышей, таких как: «горячая» прочность, набуха-

емость, восстановимость, усадка в процессе восстановления.

2.4.3 Подготовка шихты

Основная задача технологической операции приготовления шихты заключа-

ется в правильном и точном дозировании ее компонентов и тщательном смешива-

нии. Правильность дозирования обеспечивается расчетом шихты, а точность дози-

рования - работой дозировочного оборудования.

Из расходных бункеров концентрат, бентонит, полимер, флюсоупрочняющий

материал дозируются на сборные конвейеры посредством различных питателей:

дисковых, ленточных, шнековых (винтовых), весовых дозаторов. Производитель-

ность технологической линии дозирования регулируется количеством работающих

питателей и их производительностью.

Операция смешивания шихтовых материалов является одной из важных, так

как определяет однородность шихты, и характеризуется степенью или коэффици-

ентом перемешивания.

Под степенью перемешивания в общем случае следует понимать взаимное

распределение двух или большего количества веществ после совершенного пере-

мешивания всей системы [1]. Степень перемешивания является, таким образом,

показателем эффективности перемешивания.

Для расчета степени перемешивания I на основе анализа взятых проб при-

меняются различные формулы. Чаще всего используется формула Хиксона и Тени

[28]:

X1 + X2 + … + Xn

I =

где n

- число взятых проб;

X1, X2 - относительные концентрации взятых проб, рассчитываемые по фор-

муле

Xi =

Фⁱ ,

Фi0

где Фi, Фi0 - объемные доли анализируемого компонента в i-й пробе и во всем аппарате

соответственно.

Кроме того, существует много статистических методов для оценки степени

перемешивания смеси на основе анализа взятых проб.

Смешивание может осуществляться в одну или несколько стадий в зависи-

мости от вида применяемого смесителя. В приготовлении шихты для окомкования

используются шнековые, роторные, барабанные смесители, смесители интенсив-

ного перемешивания.

2.4.4 Окомкование, классификация

Тонкоизмельченные влажные сыпучие материалы, по гранулометрическому

составу представляющие собой полидисперсную систему, обладают ярко выражен-

ной способностью к самопроизвольной агрегации, особенно после приложения со-

ответствующих механических воздействий. При этом окомкование происходит в

том случае, когда образующиеся агрегаты подвергаются механическим воздей-

ствиям, меньшим по величине, чем разрушающие структуру усилия, действующие

на эти агрегаты в процессе их деформирования.

По результатам значительного количества исследований и практики установ-

лено, что эффективное окомкование сыпучих материалов возможно только при

определенном (оптимальном) увлажнении последних, которое, в свою очередь,

определяется гранулометрическим составом, степенью развития поверхности, со-

держанием коллоидной фракции и условиями взаимодействия смачивающей жид-

кости с комкуемым материалом.

Процесс получения сырых окатышей из шихты протекает в два этапа. На пер-

вом этапе из исходной шихты, загружаемой в окомкователь, образуются небольшие

комочки - зародыши окатышей. На втором этапе процесса происходит рост и упроч-

нение окатышей: зародыши накатывают на себя слой концентрата с частицами свя-

зующего и флюсоупрочняющего компонентов, превращаясь в гранулы шарообраз-

ной формы. Под действием динамических нагрузок происходит уплотнение ока-

тыша.

Окомкование шихты может производиться в конусных, чашевых (тарельча-

тых) или барабанных окомкователях и их различных сочетаниях (см. рисунки 2.16,

2.17).

Рисунок 2.16 - Барабанные окомкователи

Рисунок 2.17 - Линия чашевых окомкователей

Полученные сырые окатыши подвергаются классификации на роликовых гро-

хотах. Как правило, происходит разделения на три класса крупности: менее 5 мм,

свыше 16 (18) мм, годный класс крупности - менее 16 (18) мм и более 5 мм. Ока-

тыши класса менее 5 мм и более 16 (18) мм являются возвратом в окомкователи,

т. е. циркуляционной нагрузкой. Окатыши крупностью более 16 (18) мм проходят

через разрушителей.

К обжиговой машине годный класс сырых окатышей транспортируется по

ленточным конвейерным трактам.

Ширина ленточных конвейеров, как правило, составляет 1200-1500 мм, а

ширина обжиговых тележек - 3 или 4 м. Распределение окатышей по ширине об-

жиговой тележки осуществляется маятниковым или челночным укладчиком. Далее

окатыши одним из двух способов укладываются на роликовый питатель - непо-

средственно укладчиком либо посредством конвейера с шириной ленты 4600 мм.

Длина роликов питателя соответствует ширине обжиговой тележки. Качающиеся

укладчики устанавливают над роликовыми питателями так, чтобы поток сырых ока-

тышей попадал между первым и третьим роликами.

Роликовый питатель (укладчик) выполняет несколько задач: отсев мелочи

через зазоры между роликами, окончательное распределение окатышей по ширине

машины и укладку слоя на обжиговые тележки.

Роликовые укладчики представляют собой наклонный роликовый конвейер.

Роликовое полотно укладчика по технологическому назначению разделяется на ак-

тивную (просеивающую) и транспортирующую зоны. Окатыши с помощью маятни-

кового укладчика или широкого конвейера загружаются на активную зону ролико-

вого укладчика, где происходит распределение потока сырых окатышей по ширине

и отсев мелочи размером менее 5-7 мм. За счет вращения всех роликов в одну

сторону окатыши передаются в разгрузочную зону и далее ссыпаются на тележки

обжиговой машины с минимальной высоты, что предохраняет окатыши от разруше-

ния.

Роликовые укладчики различаются углом наклона транспортной зоны, дли-

ной активной зоны, диаметром роликов и, соответственно, площадью отсеивающей

поверхности. Для послойной укладки сырых окатышей на обжиговые тележки

применяют двух- и трёхдечные роликовые укладчики.

2.4.5 Термический упрочняющий обжиг

Одним из наиболее сложных технологических переделов производства ока-

тышей является их обжиг (см. рисунок 2.18). Основной целью его является получе-

ние обожженных железорудных окатышей, максимально отвечающих требованиям

металлургического передела, сохраняющих свои свойства при транспортировках,

перегрузках и хранении на открытых складах.

Обжиг окатышей может осуществляться в различных агрегатах, наибольшее

распространение получили обжиговые машины конвейерного типа, реже использу-

ется установка «решетка - трубчатая печь - кольцевой холодильник». Остальные

агрегаты отличаются невысокой производительностью.

Высокотемпературный теплоноситель, используемый в процессе термообра-

ботки, получают при сжигании природного газа.

В процессе термической обработки окатыши проходят последовательно сле-

дующие технологические зоны: сушку, нагрев, упрочняющий высокотемпературный

обжиг, рекуперацию и охлаждение. В каждой технологической зоне поддержива-

ется определенный температурный и аэродинамический режимы, регламентируе-

мые картой технологического процесса.

Зона сушки предназначена для удаления влаги из сырых окатышей и подго-

товки их к высокотемпературному нагреву.

Механизм сушки окатыша можно разделить на 3 стадии:

- диффузия воды из центра окатыша в направлении к поверхности;

- испарение воды с поверхности, т. е. переход из жидкого состояния в газо-

образное;

- диффузия паров воды в объем газа, находящегося вокруг окатыша.

В соответствии с представленным механизмом скорость процесса сушки за-

висит от скорости передвижения воды в объеме окатыша, в пространстве между

зернами концентрата, скорости образования водяного пара и скорости перемеще-

ния, образовавшегося пара с поверхности окатыша в поток теплоносителя, т. е. от

градиентов температуры и влажности.

Рисунок 2.18 - Обобщенная схема термической обработки окатышей

на обжиговой машине конвейерного типа

Зона нагрева предназначена для удаления остаточной влаги из средних и

нижних слоев окатышей и подготовки окатышей к обжигу. В зоне активно идут про-

цессы окисления магнетита, разложение карбонатов и гидратов концентрата, флю-

сующих добавок и бентонита, формирование прочностных свойств в верхней поло-

вине слоя.

Зона обжига обычно занимает 25-30 % площади машины. В зоне установ-

лены горелки. Обжиг идет прососом теплоносителя сверху вниз. В зоне обжига за-

канчиваются процессы разложения гидратов и карбонатов, идет процесс высоко-

температурного упрочнения окатышей. Основная цель обжига окатышей сводится

к упрочнению их до такой степени, чтобы они в дальнейшем выдерживали транс-

портировку, перегрузки и доменную плавку без значительных разрушений. Упроч-

нение окатышей (спекание частиц в прочную гранулу) происходит преимуще-

ственно путем твердофазного (без участия жидкой фазы) спекания. Твердофазное

спекание начинается при температурах 800-900 °C. Жидкофазное спекание начи-

нается при температурах 1200-1350 °C, в зависимости от минералогического со-

става железорудного концентрата и содержания флюсоупрочняющих добавок.

При этом, в отличие от агломерации, нельзя доводить процесс до перехода

значительной части шихты в жидкое состояние. Если не ограничить верхний предел

температуры (1320-1350 °C), то произойдет оплавление окатышей и сваривание их

в крупные глыбы. В то же время понижение температуры обжига ниже 1200-

1250 °C приводит к понижению прочности окатышей.

Зона охлаждения предназначена для охлаждения окатышей до температуры

менее 150 °C.

Эффективность работы зоны охлаждения определяется количеством и тем-

пературой воздуха, просасываемого через слой, условиями теплообмена между

воздухом и окатышами. Для дополнительного охлаждения окатышей в хвостовых

частях обжиговых машин установлены бункеры-охладители, в которых произво-

дится доохлаждение и выравнивание температуры окатышей.

2.4.5.1 Физико-химические процессы, протекающие при термической

обработке окатышей

В зоне сушки протекает физический процесс удаления влаги из окатышей.

Механизм процесса сушки в первую очередь определяется связью влаги с матери-

алом. Связь влаги с материалом может быть химическая, физико-химическая, фи-

зико-механическая.

Процесс термической сушки - это сложный теплофизический и физико-хими-

ческий процесс, в котором происходит тепло- и массообмен между поверхностью

окатыша и окружающей газовой средой. Сушку можно представить в виде двух ос-

новных процессов: переноса тепла и влаги внутри материала к поверхности испа-

рения и переноса массы вещества (пара) с поверхности материала в окружающую

среду. Данный процесс протекает вследствие разности давлений водяных паров у

поверхности окатыша и в потоке теплоносителя, а также разности температур у по-

верхности и внутри материала.

Процесс переноса влаги внутри материала определяется его пористостью,

формой связи влаги с твердым веществом и теплофизическими характеристиками.

Внутри влажного материала вода перемещается в виде жидкости (под действием

капиллярных и осмотических сил) и пара (под влиянием диффузных сил).

В процессе сушки удаляется только влага, связанная с материалом механи-

чески и физико-химически.

Химическая влага или разложение гидратов, происходит, как правило, в зоне

нагрева при достижении температуры, характерной для конкретного гидрата,

например, разложение гидроксида кальция (гашеной извести) начинается при тем-

пературе 580 °C, тогда как разложение гидроксида магния может происходить в

зоне сушки при температуре 350 °C, если он присутствует в шихте. Монтморилло-

нит, содержащийся в бентонитах - Al3Mg[Si4O10](OH)2nH2O, - может удерживать

воду до 800-1000 °C.

В зоне нагрева протекает ряд химических реакций в зависимости от достига-

емой температуры нагрева материала и концентраций химических компонентов.

При температурах ниже 800 °C в зависимости от состава и количества пустой по-

роды в шихте могут протекать следующие реакции:

2FeO + SiO2 → Fe2SiO4

2Fe3O4 + 1/2O2 → 3Fe2O3

MgCO3 → MgO + CO2

CaO + SiO2 → CaSiO3

2CaO + SiO2 → Ca2SiO4

MgO + SiO2 → MgSiO3

2MgO + SiO2 → Mg2SiO4

2MnO + SiO2 → Mn2SiO4

4FeS2 + 11О2 → 2Fe2О3 + 8SО2.

При повышении температуры нагрева выше 800 °C до 1100 °C помимо выше

приведенных реакций могут происходить следующие химические взаимодействия

компонентов шихты:

CaO + Fe2O3 → CaFe2O4

2CaO + Fe2O3 → Ca2Fe2O5

MgO + Fe2O3 → MgFe2O4

MnO + Fe2O3 → MnFe2O4

CaCO3 → CaO + CO2

4FeS + 7О2 → 2Fe2О3 + 4SО2;

При нагреве выше 1100 °C образуются новые минеральные составляющие

системы, происходит взаимное спекание отдельных частиц, образуются жидкие

фазы легкоплавких эвтектик. Происходит упрочнение окатыша.

Спекание реализуется посредством твердофазной диффузии, результатом

этого процесса является усадка и уменьшение пористости окатыша. С появлением

жидкой фазы происходит смачивание расплавом контактирующих поверхностей

минеральных зерен внутри окатыша, происходит жидкофазное спекание.

Результатом протекания физико-химических процессов при термической об-

работке окатышей является их прочность на сжатие, удар и истирание.

Кроме того, в зоне обжига протекают реакции разложения сульфатов магния

(1200 °C) и кальция (1300 °C).

CaSО4 → СаО + SО2 + 0,5О2

2CaSО4 + SiО2 → Ca2SiО4 + 2SО2 + О2,

CaSО4 + Fe2O3 → Ca(FeО2)2 + SО2 + 0,5О2.

MgSО4 → MgО + SО2 + 0,5О2.

Для получения однородных по прочности и пористости окатышей, а также

снижения их разрушаемости при восстановлении слой необходимо нагревать на

всю глубину до донной постели.

Процесс обжига полностью завершается в зоне рекуперации, где нижний го-

ризонт слоя окатышей прогревается до температуры зоны обжига за счет переноса

аккумулированного верхом слоя тепла к границе «окатыши - постель». При этом

происходит охлаждение верха слоя, так как в слой подается теплоноситель из зоны

охлаждения 1. Окатыши низа слоя приобретают необходимую прочность и массо-

вую долю FeO. Температура нижних горизонтов слоя при этом должна прибли-

жаться к значениям температуры над слоем в зоне обжига. Контроль над степенью

прогрева нижних горизонтов слоя должен осуществляться по температуре отходя-

щих газов в вакуум-камерах зоны рекуперации и поддерживаться в соответствии с

установленным режимом термообработки.

Охлаждение окатышей, как правило, производится в зонах охлаждения об-

жиговой машины, а также они могут охлаждаться в пристроенных к машине холо-

дильниках.

2.4.5.2 Устройство обжиговой машины

В настоящее время для обжига окатышей чаще всего применяются обжиго-

вые конвейерные машины. Было разработано несколько типов конвейерных ма-

шин, различающихся шириной обжиговых тележек, длиной, расположением горе-

лок, способами сжигания топлива и рекуперации тепла, конструкцией переточного

коллектора, способом охлаждения (см. таблицу 2.8).

Процесс тепловой обработки окатышей на конвейерной машине заключается

в постепенном их нагреве до заданной температуры и последующем охлаждении.

Для этого окатыши, а также постель равномерно укладывают на колосниковые те-

лежки (см. рисунок 2.19), образующие ленту конвейера, непрерывно движущуюся

по замкнутым направляющим.

1 - нижняя несущая часть; 2 - борта; 3 - колосники;

4 - отливки боковые; 5 - ходовые ролики; 6 - грузовые ролики;

7 - пластина горизонтальная

Рисунок 2.19 - Обжиговая тележка

Таблица 2.8 - Основные технические параметры и технологические показатели действующих обжиговых машин

Тип обжиговой

Наименование показателя

машины

ОК-108

ОК-228

ОК-306

ОК-592

ОК-520

Л-480

O-768

Рабочая площадь машины, м²

108

228

306

592

520

480

768

Высота слоя сырых окатышей, мм

300

330

320

450

430

310

Относительная площадь зон сушки, %

17,2

10,5

22,8

25,6

21,2

15,0

18,7

Относительная площадь зоны нагрева, %

24,2

31,6

17,1

10,25

9,1

22,5

18,7

Относительная площадь зоны обжига, %

20,7

26,3

14,3

15,38

18,2

22,0

Относительная площадь зоны рекуперации, %

6,9

7,9

8,6

7,69

9,1

7,5

6,3

Относительная площадь зон охлаждения, %

31,0

23,7

37,1

41,08

42,4

35,0

34,5

Показатели при производстве неофлюсованных окатышей

Удельная производительность, т/(ч∙м²)

0,875

0,855

1,008

1,179

1,192

Удельный расход газа, м³/т

14,5

11,33

8,56

8,86

Не при-

Пуско-

Удельный расход электроэнергии, кВт·ч/т

32,4

29,0

40,09

34,27

31,64

меняется

наладка

Удельный расход воды, м³/т

Нет данных

1,98

8,3

8,15

Время термообработки, мин

39,5

42,5

35,17

30,0

30,3

Показатели при производстве офлюсованных окатышей

Удельная производительность, т/(ч∙м²)

Не применяется

0,903

1,122

1,076

1,0

Удельный расход газа, м³/т

13,03

9,39

13,87

9,4

Удельный расход электроэнергии, кВт·ч/т

43,22

34,6

41,78

39,9

Удельный расход воды, м³/т

2,11

8,13

8,14

0,326

Удельный расход сжатого воздуха, м³/т (для

Л-480 учтены затраты на пневмотранспорт и

2,56

11,44

22,3

фильтрацию)

Время термообработки, мин

37,8

31,8

34,0

40,0

Из всех деталей обжиговой тележки колосники испытывают воздействие

наиболее высоких температур, поэтому их изготавливают из высоколегированных

материалов или чугуна.

Над рабочей ветвью ленты обжиговых тележек с окатышами расположено

печное пространство, образованное горнами и колпаками, а под рабочей ветвью

конвейера - газовоздушные камеры, служащие для прососа и продува газов и воз-

духа через слой окатышей.

Тележки с окатышами последовательно проходят все технологические зоны

обжиговой машины.

Обжиговые тележки двигаются под горном по рельсам, переворачиваются на

разгрузке, высыпая обожженные окатыши в бункер, и по холостой ветви, располо-

женной под рабочей веткой, возвращаются в головную часть на загрузку.

Горн представляет металлический кожух, футерованный изнутри огнеупор-

ным и теплоизоляционным материалом. По длине горн разделен на отдельные тех-

нологические зоны. В боковых стенках горна установлены горелочные устройства

для получения определенного количества теплоносителя с заданной температу-

рой. Горелки в зоне охлаждения используются при сушке футеровки и разогреве

обжиговой машины после остановки.

Под обжиговыми тележками расположены газовоздушные камеры, соединен-

ные патрубками с коллекторами.

Поперечные перегородки в горне машины устанавливают между зонами

нагрева и обжига, обжига и рекуперации, и охлаждения 1 и 2. На машине установ-

лены технологические вентиляторы для обеспечения движения газовых потоков по

зонам обжиговой машины через слой окатышей. Пылеочистка газов предусмотрена

не только для газовых потоков, сбрасываемых в дымовую трубу, но и для рецирку-

лируемых потоков теплоносителя, подаваемых в зону сушки (сушка 1, 2), и воздуха

из зон охлаждения.

2.4.5.3 Тепловые схемы обжиговых машин

Качественные показатели готовых железорудных окатышей определяются

не только составом шихтовых материалов, но и температурно-временным режимом

термической обработки, который определяется работой обжиговой машины, ее теп-

ловой схемой.

Особенность обжиговых машин конвейерного типа заключается в различии

тепловых схем. Тепловая схема обжиговой машины учитывает распределение ра-

бочей площади машины по технологическим зонам и систему обеспечения этих зон

необходимым и достаточным количеством тепло- и хладагентов с заданной темпе-

ратурой для конкретных условий производства и требований к качеству готовой

продукции.

Тепловая схема обжиговой машины определяет направление перемещения

газовых потоков: подачу в отдельные зоны машины необходимого количества теп-

лоносителя или хладагента, а на горелки - вторичного воздуха; отсос низко- и вы-

сокотемпературного потоков газов из вакуум-камер и необходимую аспирацию ра-

бочих площадок. Функционирование тепловой схемы осуществляется путем пере-

мещения потоков по отдельным газовым трактам.

Тепловая схема включает в себя: вентиляторы и дымососы для подачи воз-

духа и транспортировки газов; переточную систему для передачи нагретого в зоне

охлаждения воздуха; горелочные устройства; газоочистное оборудование; газо-

ходы; дроссельные заслонки для регулирования расхода воздуха и теплоносителя,

подаваемого в конкретную технологическую зону машины или участок газоходной

системы.

Основной задачей тепловой схемы является реализация необходимого ре-

жима термообработки для получения требуемого количества обожженных окаты-

шей с заданным качеством. Очевидно, что от тепловой схемы и отдельных ее эле-

ментов будут зависеть и основные показатели эффективности производства обож-

женных окатышей: удельная производительность, удельный расход энергоносите-

лей, состав и количество газов, сбрасываемых в атмосферу.

Основные тепловые схемы обжиговых машин представлены на

рисунках 2.20-2.26.

ГД-20

СУШКА

НАГРЕВ

ОБЖИГ

РЕКУП.

ОХЛАЖДЕНИЕ

Д-18

АТУ

Боров

Н-6500

ВМ-160/850

ГД-20

Рисунок 2.20 - Тепловая схема действующей ОК-108

2.4.5.4 Горелочные устройства

Обжиговые конвейерные машины для производства железорудных окаты-

шей, имеют значительные перетоки вторичного воздуха из зон охлаждения в зоны

горна и нагрева. Кроме того, подогретый воздух используется в качестве воздуха,

подаваемого на горелочные устройства. Горелочные устройства являются неотъ-

емлемой частью горна и работают совместно с форкамерой, в которую из переточ-

ного коллектора подается воздух с температурой от 800 до 1200 °C (см. рису-

нок 2.27).

Горн машины

Фор-камера

Горелочное

устройство

Рисунок 2.27 - Поперечное сечение горна обжиговой машины

Виды горелок, применяемых на обжиговых машинах:

- инжекционные горелки горнов обжиговых машин;

- вихревые горелки;

- вихревые газомазутные горелки;

- комбинированные горелки;

- горелки для сжигания газа в слое.

В зависимости от эффективности работы горелочного устройства изменя-

ется состав дымовых газов, сбрасываемых в атмосферу. Наиболее предпочти-

тельны модели, обеспечивающие полное сжигание горючих компонентов, без об-

разования оксидов азота.

В последние годы высокую популярность завоевали инжекционные горелки

и горелочные устройства с двухступенчатой подачей воздуха.

103

2.4.5.5 Холодильники

Режим охлаждения окатышей является очень важным фактором, влияющим

на свойства окатышей, конструкцию и производительность оборудования, приме-

няемого для обжига. С точки зрения максимальной производительности более вы-

годной является высокая скорость охлаждения, причем этап охлаждения окатышей

не является ограничивающим звеном технологического цикла. Однако при высокой

скорости охлаждения свойства продукта ухудшаются. Противоречивость этих двух

следствий требует определения оптимальной скорости охлаждения, при которой

оборудование для обжига будет производить качественные окатыши при одновре-

менной высокой производительности.

Наибольшую прочность при раздавливании имеют окатыши, охлажденные со

скоростью

70-80 °C/мин. Изменение скорости охлаждения в интервале

20-

100 °C/мин сопровождалось незначительными изменениями прочности окатышей

при раздавливании.

Причиной снижения прочности окатышей, охлаждаемых с большой скоро-

стью, является возникновение внутренних напряжений, вызванное изменениями

структуры, о чем обычно свидетельствует и изменение пористости окатышей.

Воду для охлаждения окатышей применять не рекомендуется.

Зона охлаждения

Зона охлаждения предназначена для охлаждения окатышей до температуры

менее 160 °C. Охлаждение происходит в две стадии. Оно осуществляется путем

продувки атмосферного воздуха. Зона разделена на две секции:

- зона охлаждения 1, где формируется теплоноситель - переточный воздух;

- зона охлаждения 2, где формируется теплоноситель - воздух горения и воз-

дух охлаждения 1.

Хладагентом для зон охлаждения служит атмосферный воздух.

Эффективность работы зоны охлаждения определяется количеством и тем-

пературой воздуха, просасываемого через слой, условиями теплообмена между

воздухом и окатышами.

Разгрузка обожженного продукта производится в бункер - выравниватель

температуры, куда подается атмосферный воздух и происходят доохлаждение и

выравнивание температуры окатышей.

Выносные охладители

Существует несколько видов охладителей, например, охладители с непо-

движным слоем.

Таким охладителем явился камерный вращающийся круглый охладитель, ко-

торый распространен на зарубежных фабриках (см. рисунок 2.28).

104

1 - бункер охладителя; 2 - жалюзи; 3 - направляющие воздуха;

4 - донная крышка; 5 - воздуховод; 6 - осевой вентилятор

Рисунок 2.28 - Камерный охладитель с дутьем воздуха снизу

Камерный охладитель с дутьем воздуха сверху показан на рисунке 2.29.

1 - дутьевой вентилятор; 2 - бункер агломерата; 3 - жалюзи;

4 - донная крышка; 5 - центральная колонка; 6 - загрузка охладителя

Рисунок 2.29 - Камерный охладитель дисперсного материала с

дутьем воздуха сверху

Кольцевой охладитель

Кольцевой охладитель функционально аналогичен колосниковому конвей-

еру, за исключением того, что имеет форму кольца. Горячие окатыши, выходящие

из печи, распределяются в кольцевом охладителе равномерным слоем высотой

750-800 мм. Холодный атмосферный воздух нагнетается по восходящей через

транспортирующие элементы в слой окатышей (см. рисунок 2.30).

105

Рисунок 2.30 - Кольцевой охладитель

Кольцевой охладитель обычно разделен на несколько зон воздушных коро-

бов под слоем окатышей, при этом охлаждающий воздух подается в каждую зону

независимым вентилятором. Пространство над слоем также разделено на соответ-

ствующее количество зон, что позволяет осуществлять рациональную рекупера-

цию нагретого воздуха.

Охлажденные окатыши выгружаются через разгрузочный бункер охладителя

с регулируемой скоростью на конвейер конечного продукта.

2.4.6 Сортировка, складирование, транспортирование, отгрузка

готовых обожженных окатышей

Сортировка обожженного продукта осуществляется методом грохочения. На

грохотах происходит распределение продукта на: класс крупности менее 5 мм (от-

сев железорудных окатышей), класс крупности менее 16 и свыше 5 мм (товарные

окатыши) и класс крупности более 10 мм («постель»). Отделение мелкого класса

окатышей от товарных производится не на всех обжиговых машинах.

Товарные окатыши отгружаются в железнодорожный транспорт посредством

погрузочных бункеров или конвейерными трактами в следующий технологический

передел. В случае необходимости окатыши могут складироваться на складе с по-

мощью штабелеукладчика.

2.4.7 Водоподготовка, оборотное водоснабжение

Основными потребителями воды на фабрике окомкования являются обжиго-

вые машины, тягодутьевое оборудование, системы маслосмазки, газоочистные и

аспирационные системы. Вода также используется для смыва просыпей с отметок,

уборки рабочих мест. Используется техническая вода из системы оборотного водо-

снабжения предприятия.

106

Система водоохлаждения обжиговой машины предусматривает подвод воды

к водоохлаждаемым опорным плитам горна, секциям бортового уплотнения, попе-

речным водоохлаждаемым балкам от общей магистрали водяного охлаждения ма-

шины. Слив воды осуществляется через сливные воронки, соединенные трубами с

магистральным сливным трубопроводом.

2.4.8 Обращение с эмиссиями

Обжиговые машины являются основными источниками выделения техноло-

гических газов и пыли.

От обжиговых машин дымовые газы через сборный коллектор отсасываются

дымососами и очищенными выбрасываются в дымовую трубу. Очистка газов, сбра-

сываемых в атмосферу, осуществляется мокрым способом в установках «труба

Вентури - скруббер - каплеотделитель», в циклонах. На современных фабриках

окомкования в качестве газоочистных установок применяются электрофильтры,

обеспечивающие эффективность очистки газов от пыли до 99,8%.

Газоочистные устройства предназначены для очистки до санитарных норм

выбрасываемых в атмосферу газов, защиты роторов дымососов от абразивного из-

носа пылью. Отключение воды, подаваемой на газоочистные устройства, работаю-

щие по мокрому способу, при работающих дымососах не допускается. Отключение

воды можно произвести только по истечении 20-30 мин после остановки дымосо-

сов.

В цехах шихтоподготовки, на линиях измельчения комовых материалов, а

также при дозировании измельченных материалов для очистки отходящих газов

применяются электрофильтры, циклоны, рукавные фильтры. В качестве аспираци-

онных установок используют «мокрые» циклонные установки. На некоторых фаб-

риках еще используется мокрая газоочистка с применением установки «труба Вен-

тури» - скруббер - каплеотделитель». Однако использование мокрой газоочистки

приводит к значительным технологическим потерям измельчаемого материала.

Шламы фабрики окомкования, как правило, содержат достаточно высокое ко-

личество железа - более 60%, поэтому данный материал либо возвращается в от-

деление фильтрации фабрики обогащения, либо в шихту окатышей, при этом ре-

циркулирующий шлам может проходить дополнительное измельчение, что более

предпочтительно. Обобщенная схема рециклинга шламов представлена на ри-

сунке 2.31.

107

Вода с холодильни-

ков ОМ

Насосная

Обжиговые машины ФОК

оборотного

водоснабже-

Шламы, промстоки

Осветленная вода

Слив

Хвостовое хозяйство

Сгуститель

Шлам

Пульпа

Шаровая мельница из-

Фильтровальное отделе-

мельчения

ние ОФ

В шихту окатышей

Товарный концен-

ФОК

трат

Рисунок 2.31 - Обобщенная схема движения шламов фабрик

окомкования

Основное оборудование фабрики окомковывания представлено в таб-

лице 2.9.

Таблица 2.9 - Основное оборудование

Наименование

Назначение оборудования

Описание

оборудования

Дробление и измельчение комо-

Дробилки

Молотковые, валковые

вых глинистых материалов

Снижение массовой доли влаги в

Сушильный барабан

Барабанного типа

глинистых материалах

Измельчение комовых глинистых

Мельницы шарового измель-

Мельницы

материалов до размера частиц

чения, вертикальные

менее 0,071 мм

Вакуумные фильтры (ткане-

Снижение массовой доли влаги в

Фильтры

вые, керамические).

концентрате менее 10%

Пресс-фильтры

Получение шихты заданного со-

Ленточные, шнековые, диско-

Дозаторы

става

вые

108

Окончание таблицы 2.9

Наименование

Назначение оборудования

Описание

оборудования

Роторные, барабанные, ин-

Перемешивание шихты, обеспече-

Смесители

тенсивного перемешивания,

ние однородного состава шихты

шнековые

Формирование гранул в виде ша-

Окомкователи

Чашевые, барабанные

риков определенного размера

Классификация сырых окатышей в

Грохот

Роликовый

заданном диапазоне размеров

Маятниковый, челночного

Укладчик сырых ока-

Укладка сырых окатышей на обжи-

типа, роликовый (работает в

тышей

говую машину

комплекте с вышеуказан-

ными)

Обжиговая машина

Термическая обработка окатышей

См. таблицу 2.8

конвейерного типа

с целью упрочнения

Охлаждение обожженных окаты-

Охладитель

Кольцевой, пересыпного типа

шей до температуры ниже 150 °C

Транспортирование сырых и обож-

Конвейер

Ленточный, пластинчатый

женных окатышей

Классификация обожженных ока-

Грохот

тышей в заданном диапазоне раз-

Вибрационный

меров

Укладка готовых обожженных ока-

Стрелового или реверсив-

Штабелеукладчик

тышей в штабель на складе

ного челночного типа

Перегрузка обожженных окатышей

Стрелкового или мостового

Роторный заборщик

со склада на конвейеры

типа

Дымососы, вентиля-

Транспортирование газовых пото-

Центробежного типа

торы

ков

2.5 Производство железа прямого восстановления

2.5.1 Общие сведения

В основе производства металлизованного продукта лежит процесс прямого

восстановления железа (ПВЖ), заключающийся во взаимодействии потоков вос-

становительного газа и руды или окатышей, происходящий при температуре около

900 °C. Исходным сырьем для получения железа прямого восстановления в шахт-

ных печах являются офлюсованные окатыши с массовой долей железа более

66,5%.

По своим качественным характеристикам железо прямого восстановления

превосходит чугун и используется на многих сталеплавильных предприятиях мира

наряду с ломом. Однако, в отличие от металлического лома, использующегося в

настоящее время как основное сырье для получения стали в электросталеплавиль-

109

ных печах, металлизованный продукт является первородным сырьем, не содержа-

щим примеси пластмасс и цветных металлов, существенно ухудшающих качество

стали.

Процессы металлизации в шахтных печах во многом похожи на процессы,

протекающие в шахте доменных печей в области умеренных температур. Однако

имеются и значительные отличия: в шахтной печи отсутствует кокс; важную роль в

процессах восстановления оксидов железа играет водород; восстановительный газ

является единственным источником тепла, обеспечивающим все тепловые потреб-

ности процесса [5].

Основными процессами, протекающими в шахтной печи, являются теплооб-

мен между газом-теплоносителем и восстанавливаемым материалом, восстанов-

ление оксидов железа и динамическое взаимодействие между опускающейся ших-

той и поднимающимся газом. Кроме того, на показатели работы шахтной печи ока-

зывают влияние разрушение железорудных материалов в процессе нагрева и вос-

становления, науглероживание и спекание губчатого железа [6].

В мировой практике производства ПВЖ газовыми восстановителями

наибольшее распространение получила технология MIDREX - 60%, технология

HYL/Energiron - 14%, остальное количество (25,5%) производится агрегатами пря-

мого восстановления железа, основанными на использовании угля или пылеуголь-

ной смеси и других технологических процессах (0,5%).

В Российской Федерации промышленные установки по производству ПВЖ

работают по двум технологиям: MIDREX и HYL-III. Отличие этих технологий заклю-

чается в использовании различных способов реформирования природного газа, от-

личительных газодинамических и температурных режимах работы печей, что обу-

славливает конструкционные различия печей и установок в целом.

Обобщенная технологическая схема производства металлизованного про-

дукта представлена на рисунке 2.32.

110

Доля железа, восстановленного до металлического, α-Fe (Fe3C), %, называ-

ется степенью металлизации и определяется как отношение железа металличе-

ского к железу общему в DRI или HBI:

Fe_мет

М=

∙ 100%

Fe_общ

Feмет

M =

· 100 %,

Feобщ

где M

- степень металлизации, %;

Feмет- - железо металлическое, которое включает α-Fe и соединение железа с

углеродом (Fe3C), %;

Feобщ - общее железо в железе прямого восстановления, являющееся суммой

железа металлического, железа в виде карбида железа (Fe3C) и оста-

точного железа в виде окислов, %.

В зависимости от степени металлизации продукт делят на предварительно

восстановленный материал (реметы) и железо прямого восстановления (DRI или

HBI).

Если степень металлизации составляет менее 85%, продукт является пред-

варительно восстановленным, а если металлизация не менее 85%, такой продукт

является DRI (HBI).

Восстановление

Степень восстановления продукта определяется отношением кислорода,

удаленного из железной руды или окатышей, к первоначальному количеству, со-

держащемуся в исходной железорудной шихте:

O_{2удаленный}

∙ 100%

O_{2исходный}

O2 уд

R =

· 100 %,

O2 исх

где R

- степень восстановления, %;

O2 уд - кислород, удаленный из железорудной шихты (окатышей или руды), %;

O2 исх - количество кислорода, содержащегося в исходной железорудной шихте,

2.5.2 Физико-химические процессы, протекающие при металлизации в

шахтных печах

Процесс прямого восстановления заключается в удалении кислорода из

окисленных окатышей при температуре ниже точки плавления железа, при этом по-

лучается продукт с высоким содержанием металлического железа, известный как

железо прямого восстановления (DRI).

Кислород удаляется с помощью восстановительного газа, который состоит в

основном из смеси водорода и оксида углерода.

В процессе прямого восстановления окисленных окатышей газом между

твердой и газообразной фазами протекают гетерогенные реакции.

1. Твердая фаза

113

Окисленные окатыши нагреваются до температуры восстановления горячим

восстановительным газом. Удаление кислорода из окатышей осуществляется с по-

мощью химических реакций с водородом и оксидом углерода.

Механизм восстановления можно представить приведенным ниже способом.

Шаги восстановления твердых окисленных окатышей:

Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe.

Восстановление водородом

Полная реакция:

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O.

Восстановление оксидом углерода

Полная реакция:

Fe2O3 + 3СО = 2Fe + 3СО2.

Восстановление оксидов железа водородом является эндотермическим про-

цессом, а восстановление оксидом углерода - экзотермическим процессом.

Науглероживание оксидом углерода:

3Fe + 2CO = Fe3C + CO2

2CO = C + CO2

CO + H2 = C + H2O.

Науглероживание метаном:

3Fe + CH4 = Fe3C + 2H2

CH4 = C + 2H2.

2. Газообразная фаза

Газообразная фаза в процессе прямого восстановления является смесью не-

скольких газов, которые должны обладать высокой восстановительной способно-

стью, другими словами, должно быть высокое соотношение восстановительной

смеси к окислительной (более 85%).

Еще одним очень важным аспектом процесса восстановления является ра-

бочая температура. Восстановительные газы должны подаваться с высокой темпе-

ратурой, чтобы реакции восстановления могли быть не только термодинамически

возможны, но и кинетика реакций была удовлетворительной.

В газообразной фазе между компонентами могут произойти некоторые реак-

ции, в зависимости от температуры, давления и стадии процесса. Они могут про-

изойти на стадии реформинга, во время частичного сгорания, если оно включено в

процесс, и во время восстановления.

В основном в газообразной фазе проходят следующие реакции.

Реакция реформинга:

CH4 + H2O = CO + 3H2.

Реакция водяного газа:

CO + H2O = H2 + CO2.

В зависимости от температуры и давления эти реакции могут стать обрати-

мыми.

114

Представленные выше химические реакции восстановления протекают в

шахтных печах металлизации независимо от вида технологического процесса.

2.5.3 Требования к исходному сырью

В связи с тем, что процессы металлизации при получении губчатого железа

протекают при умеренных температурах (без расплавления), пустая порода и при-

меси в исходном сырье полностью переходят в металлизованный продукт. Из-

вестно, что содержание железа и кислой пустой породы в губчатом железе суще-

ственно влияют на стоимость выплавки стали, расход электроэнергии для расплав-

ления образующегося шлака, расход извести, потери железа со шлаком. С этих по-

зиций содержание железа должно быть максимальным, а содержание кремнезема

минимальным.

Расчеты и практика производства показали, что содержание железа в желе-

зорудных материалах желательно иметь в пределах не менее 66,7%, а количество

кислых оксидов не должно превышать 3% (в металлизованном продукте не более

5%), так как в противном случае использование методов бездоменного получения

металла становится экономически невыгодным.

Присутствие в шихтовых материалах оксидов кальция и магния повышает их

восстановимость и прочность при восстановительно-тепловой обработке, умень-

шает разрушение и склонность к слипанию в процессе восстановления, улучшает

условия науглероживания ПВЖ. Присутствие щелочных оксидов ухудшает процесс

науглероживания восстановленного железа.

Эффективность процесса восстановления в движущемся слое в значитель-

ной степени зависит от высокой газопроницаемости столба шихты, способствую-

щей хорошему контакту газовой и твердой фаз. Высокая газопроницаемость дости-

гается при применении материалов с узким фракционным составом и высокой проч-

ностью на сжатие и истирание. Так, для шахтных печей металлизации доля окаты-

шей фракции 9,5-16 мм должна составлять 93-95%. Прочность окатышей на сжа-

тие должна составлять 250-300 кг/ок. Широкий диапазон вариации объясняется

особенностями конкретного технологического процесса, наличием в печи внутрен-

них толкателей, высотой столба шихты (мощностью печи). Кроме того, данный по-

казатель не всегда согласуется с показателем «горячей» прочности, который явля-

ется определяющим для шахтных печей металлизации. По результатам испытаний

исходного сырья во вращающемся барабане доля фракции более 6,35 мм должна

составлять не менее 95%, доля фракции менее 0,63 мм - не более 4%.

Пористость окатышей должная быть не менее 20%.

Металлургические характеристики исходного железорудного сырья:

1. Индекс спекаемости:

- при 950 °C непокрытые - не более 30%;

- после покрытия - не более 45%.

Определяет тенденцию кусков железной руды или железорудных окатышей

спекаться и образовывать крупные конгломераты - спеки, а также налипать на

стены восстановительной печи.

115

Спекаемость обуславливает серьезные проблемы, связанные с потоком

твердых тел и газа канальным ходом в слое, приводя к неоднородному качеству

DRI.

2. Индекс набухаемости:

- при 800 °C - не более 20%;

- при 950 °C - не более 20%.

Во всех железных рудах при восстановлении происходят изменения в объ-

еме, так как в молекулярной структуре происходят кристаллографические измене-

ния в зависимости от различных состояний восстановительного процесса.

Разность начального и конечного объемов, отнесенная к начальному объему,

названа индексом набухаемости, выражается в процентах и отражает процент из-

менения объема.

Явление набухаемости наблюдается в начале восстановительного процесса,

до 30-40% уровня восстановления. На этом уровне восстановления достигается

максимальная степень набухаемости, которая находится в таком состоянии до тех

пор, пока все оксиды железа, содержащиеся в исходном материале, не перейдут в

форму вюстита. После этого начинается усадка объема слоя, продолжающаяся до

окончания восстановления.

3. Низкотемпературное разрушение:

- 500 °C; +6,3 мм - не менее 88%;

- 500 °C; -3,2 мм - не более 10%.

Оно определяется как образование мелочи в процессе восстановления и вы-

звано восстановительными реакциями.

2.5.4 Транспортировка исходного сырья, его классификация, покрытие

перед восстановлением

Система оборудования транспортирования железорудного сырья - офлюсо-

ванных окатышей (далее - окатыши) - предназначена для загрузки окатышей в

печь металлизации.

Окатыши системой конвейерных трактов передаются с фабрики окомкования

в цех металлизации и загружаются в бункера суточного запаса, которые необхо-

димы для обеспечения непрерывной подачи сырья в печь в случае неплановой

остановки конвейерного тракта.

Выгрузка окатышей из бункеров суточного запаса осуществляется последо-

вательно через вибрационные питатели, грохоты, взвешивающие бункера, взвеши-

вающие ленточные питатели. На грохотах происходит отсев мелочи - класс менее

5 мм. Отсев окатышей накапливается в бункере отсева, по мере заполнения бун-

кера производится его выгрузка в автомобильный транспорт, далее отсев выво-

зится на склад.

Взвешивающие бункера и ленточные питатели предназначены для регули-

рования подаваемой нагрузки на сборный конвейер, а затем в печь. Количество

подаваемых окатышей зависит от производительности установки металлизации.

Сборные конвейеры снабжены металлоулавливателями для предотвращения по-

падания мелких металлических предметов. Между сборным конвейером и верти-

кальным конвейером подачи окатышей в печь или перед атмосферным бункером

116

размещают установки оцементования, предназначенные для покрытия окатышей

инертным материалом перед подачей в печь.

В качестве инертного материала используют цемент, мел или известняк в

виде водной суспензии. Плотность суспензии варьируется от 1,15 до 1,3 кг/л в за-

висимости от применяемого материала и особенностей технологического про-

цесса.

Покрытие окатышей инертным материалом предотвращает их слипание в

конгломераты. Образование спеков в печи металлизации нарушает процесс вос-

становления и равномерный сход шихты, при высокой доле образования спеков

может произойти остановка печи.

2.5.5 Описание печей восстановления

Шахтная печь металлизации является центральным блоком установки пря-

мого восстановления. Окатыши транспортируются ленточными конвейерами в

верхнюю часть печи восстановления и поступают при атмосферном давлении в от-

крытый бункер, затем передаются в промежуточный бункер под давлением, откуда

поступают в печь.

Горячий восстановительный газ (температура 900-930 °C), приходящий из

реформера или газонагревателя, входит в печь металлизации через кольцевой ка-

нал, где отнимает кислород от оксидов железа, при этом часть водорода и оксида

углерода окисляется до водяного пара и углекислого газа. Газ распределяется рав-

номерно по каналу и поступает в печь через конические фурмы, которые направ-

ляют газ противотоком к железорудной шихте - железорудным окатышам. Так как

восстановительный газ поднимается вверх, он восстанавливает железорудную

шихту, идущую потоком вниз. При таком методе восстановительный потенциал газа

используется максимально.

После зоны восстановления металлизованные окатыши с температурой 840-

860 °C попадают в коническую секцию печи, расположенную сразу под восстанови-

тельной зоной. Если производится холодный металлизованный продукт (DRI), в ко-

нусную часть печи подают охлаждающий природный газ, если печи с горячей вы-

грузкой, то в конусную часть подают подогретый природный или восстановитель-

ный газ с целью науглероживания восстановленного продукта.

В нижней части печи располагается устройство разгрузки, в зависимости от

технологии оно имеет различную конструкцию. Независимо от технологического

процесса разгрузочное устройство предназначено для обеспечения равномерного

выхода восстановленных (металлизованных) окатышей.

Шахтная печь металлизации в технологии HYL-III

Шахтная печь металлизации представляет собой сосуд, сконструированный

из листов углеродистой, стали. Верхняя часть представляет собой свод, далее идет

цилиндрическая секция, которая соединяется с конической частью, которая пере-

ходит в другую цилиндрическую секцию, большего диаметра, чем предыдущая, и в

конце находится нижняя коническая секция (см. рисунок 2.35).

117

Рисунок 2.35 - Общий вид шахтной печи металлизации HYL-III

За исключением нижней конической секции, печь футерована внутри изоля-

ционным бетоном и огнеупорным кирпичом. Через верхний свод в печь входят че-

тыре трубы для подачи и для равномерного распределения железорудной шихты.

Железорудная шихта из окатышей или кусковой руды, или смеси обоих за-

гружается через верхнюю часть печи, и поток самотеком направляется вниз.

Горячие металлизованные окатыши выгружаются через барабанный доза-

тор, расположенный на поде нижней конической секции.

Печь металлизации разделена на две зоны:

1. Зона восстановления - это часть печи, где протекают реакции восстанов-

ления.

Горячий восстановительный газ, приходящий из газонагревателя, входит в

печь через фурмы кольцевого канала. Движение газа и шихты противоточное.

Прежде чем выйти из печи, газ собирается в верхней части в разреженном

пространстве без железорудной шихты - на колошнике.

2. Подовая зона - это коническая секция, расположенная в нижней части

шахтной печи сразу под восстановительной зоной. Она не футерована внутри и

представляет собой гладкую металлическую поверхность, чтобы сделать возмож-

ным свободное продвижение окатышей.

Конусная часть печи снабжена водоохлаждаемой рубашкой.

Системы загрузки и разгрузки шахтной печи имеют важное значение (см. ри-

сунок 2.36). Их назначение - обеспечить непрерывный поток железорудной шихты

118

внутри печи. В секции загрузки железорудная шихта подается по вертикальному

конвейеру и попадает в загрузочный бункер шихты, а в системе разгрузки металли-

зованные окатыши выгружаются и подаются в герметичные бункеры продукта, за-

тем на брикетировочное оборудование.

а б

Рисунок 2.36 - Системы загрузки (а) и разгрузки (б) печи

Система загрузки работает в цикличном режиме, но печь при этом получает

непрерывный поток железорудной шихты. Система загрузки получает железоруд-

ную шихту при атмосферном давлении и подает ее в печь при рабочем давлении в

печи - 4 атм избыточного давления. Для того чтобы обеспечить это, система имеет

специальные уплотняющие механизмы.

Работа системы разгрузки подобна работе системы загрузки, но в этом слу-

чае происходит сброс давления в бункере, и разгрузка идет прерывисто, однако

шахтная печь работает непрерывно.

Барабанный дозатор, расположенный в нижней части печи, регулирует не-

прерывный гравитационный поток шихты через печь. Восстановленные окатыши

удаляются автоматизированными механизмами, состоящими из бункеров под дав-

лением и комбинации отсечных клапанов твердых частиц и пробковых клапанов.

Так как в печи поддерживается высокое давление, каждый бункер продукта

под давлением оборудован комплектом уплотнительных клапанов, которые изоли-

руют печь от атмосферы. Кроме уплотнительных клапанов, эти бункеры снабжены

отсечными клапанами, функция которых заключается в предотвращении контакта

восстановленных окатышей с уплотнительными клапанами.

Бункеры продукта под давлением разгружаются в общий промежуточный

бункер-накопитель, в котором всегда поддерживается некоторое количество вос-

становленных окатышей для непрерывной загрузки материала в брикет-прессы.

Этот бункер всегда работает с избыточным давлением 0,15 кг/см².

119

Промежуточный бункер-накопитель питает распределительный бункер. Этот

бункер оборудован пятью выходными каналами: четырьмя для каждого брикет-

пресса и пятым для обхода их байпасом, когда материал поступает непосред-

ственно на охлаждающие конвейеры.

Шахтная печь металлизации в технологии MIDREX с горячей

выгрузкой

Печь условно состоит из нескольких секций или зон, каждая из которых имеет

свою специальную функцию. В верхней части печи расположена система загрузки,

которая состоит из загрузочного бункера, центральной загрузочной трубы, верхнего

отсечного шибера, верхнего газодинамического затвора, распределительного

устройства.

Окатыши поступают из загрузочного бункера в центральную загрузочную

трубу, снабженную компенсатором. Для предотвращения выброса газов из печи си-

стема загрузки снабжена газодинамическим затвором и отсечным шибером, рабо-

тающим автоматически.

Из центральной загрузочной трубы через распределительное устройство

окатыши попадают в 16 загрузочных труб, входящих в купол печи, чем достигается

равномерный уровень засыпи.

Общий полезный объем шахтной печи условно делится на 5 зон:

1) колошник (пустая часть);

2) зона восстановления;

3) переходная зона;

4) зона повторного нагрева;

5) передаточная зона.

120

Рисунок 2.37 - Общий вид шахтной печи металлизации MIDREX

Печь внутри выложена огнеупорным материалом. Восстановительный газ по

трубопроводу восстановительного газа поступает в кольцевой газопровод (фурмен-

ный пояс) шахтной печи на отметке. Для равномерного распределения потока вос-

становительный газ из кольцевого газопровода поступает в печь через каналы

(фурмы), расположенные по периметру печи в два ряда. Первый (верхний) ряд

фурм состоит из каналов диаметром 98 мм в количестве 90 шт., второй (нижний)

ряд состоит из каналов диаметром 127 мм в количестве 90 шт. Всего 180 фурм,

расположенных под углом 48° к вертикальной оси шахтной печи. За счет давления

в газовой системе установки восстановительный газ проникает в глубину слоя схо-

дящего материала и поднимается вверх, вступая в реакцию с оксидами железа, в

результате чего образуется металлизованный продукт. Далее металлизованный

продукт движется в переходную зону шахтной печи.

Для обеспечения равномерного движения материала в печи установлены:

вставка выравнивания потока шихты, верхние питатели постоянного действия,

121

средние питатели постоянного действия, нижние питатели постоянного действия.

Питатели установлены перпендикулярно к вертикальной оси печи. Для обеспече-

ния работоспособности питатели оборудованы системой густой смазки.

Для науглероживания металлизованного продукта на оси верхних питателей

постоянного действия подведен природный газ переходной зоны шахтной печи. Ос-

новной поток природного газа разделяется на четыре потока для обеспечения рав-

номерного распределения газа по сечению печи.

Для контроля температуры внутри шахтной печи вертикально установлены

термопары в количестве 16 шт., которые закрыты пятью защитными трубами. Пе-

риферийные защитные трубы (4 шт.) снабжены тремя термопарами разной длины.

В центральной защитной трубе установлены 4 термопары разной длины.

Горячий металлизованный продукт выдается из печи через нижний газоди-

намический затвор. Между конусной частью печи и нижним газодинамическим за-

твором располагается нижний компенсатор, который предназначен для компенса-

ции температурных расширений. Горячие металлизованные окатыши выгружаются

с помощью маятникового разгрузочного устройства и попадают на роликовый гро-

хот, которые отделяют крупный материал от стандартных окатышей размером 5-

30 мм. Камера выгрузки продукта выполнена из огнеупорного материала и обору-

дована стимулятором потока, дверцами для сброса некондиционного материала,

шиберной заслонкой байпасного питателя, пятью шиберными заслонками ответв-

ления загрузки брикет-прессов. Из камеры выгрузки продукта спекшийся материал

удалятся через систему разгрузки надрешетного продукта, а годный по размеру ма-

териал (размером 5-30 мм) выдается в пять загрузочных труб брикет-прессов, а

также при запуске или остановке печи - в загрузочную трубу байпасного питателя.

Шахтная печь металлизации в технологии MIDREX с холодной

выгрузкой

Печь MIDREX с холодной выгрузкой отличается от вышепредставленной

печи наличием зоны охлаждения в конусной части (см. рисунок 2.38).

Горячий металлизованный продукт, опускающийся из зоны восстановления

вниз, в зоне охлаждения охлаждается до температуры около 50 °C. Охлаждающий

инертный газ при этом нагревается до температуры около 440 °C. Охлаждающий

газ поступает в зону охлаждения через соответствующий распределитель, который

разделяет общий поток охлаждающего газа на отдельные кольцевые потоки,

направленные вниз (см. рисунок 2.39).

Выход охлаждающего газа находится под верхним питателем постоянного

действия. Затем охлаждающий газ поступает в скруббер охлаждающего газа, где

он очищается от пыли и охлаждается до температуры 10-20 °C. Охлажденный газ

компрессором охлаждающего газа возвращается в зону охлаждения.

122

Рисунок 2.38 - Общий вид шахтной печи металлизации MIDREX с

холодной выгрузкой окатышей

Выгрузка металлизованных окатышей из печи производится маятниковым

разгрузочным устройством, расположенным в нижней части печи.

Для предотвращения утечки горючих газов и пыли из шахтной печи установ-

лены верхний и нижний газодинамические затворы - ВГДЗ и НДЗ, оснащенные от-

сечными шиберами.

Металлизованные окатыши распределяют в три бункера хранения продукта

перед электросталеплавильным цехом комбината и в три бункера промежуточного

хранения перед отгрузкой потребителям (на установке отгрузки окатышей установ-

лено еще два бункера).

Реметы - металлизованные окатыши, имеющие низкую степень металлиза-

ции (менее 90%), транспортируются от шахтной печи на закрытый склад реметов

или на открытый склад окисленных окатышей для повторной металлизации

(т. е. реметы дозированно направляются в поток шихты, загружаемой в установку

металлизации).

123

1 - промежуточный бункер; 2 - шахтная печь; 3 - загрузочная труба;

4 - распределительные трубы; 5 - восстановительный газ;

6 - колошниковый газ; 7 - скруббер; 8 - технологический газ;

9 - топливный газ; 10 - компрессор; 11 - каплеотделитель;

12 - смеситель; 13 - рекуператор; 14 - природный газ;

15 - реакционные трубы; 16 - реформер; 17 - главная воздуходувка;

18 - вспомогательная воздуходувка; 19 - холодильник; 20 - дымовые

газы; 21 - дымосос; 22 - дымовая труба; 23 - инертный газ;

24 - смеситель инжекции кислорода; 25 - охлаждающий газ;

26 - кислород; 27 - маятниковое разгрузочное устройство;

28 - газовые динамические затворы; 29 - отсечной шибер;

30 - смешанный газ; 31 - десульфуризатор

Рисунок 2.39 - Схема газовых потоков установки металлизации

MIDREX с холодной выгрузкой DRI

Мелочь металлизованных окатышей подвергают брикетированию (смешива-

ние со связующим веществом - мелассой и прессование в брикеты). При прессо-

вании металлизованной мелочи значительно снижается активная поверхность вос-

становленного железа. Брикеты, как и металлизованные окатыши, подают в стале-

плавильный цех.

Питатели постоянного действия предназначены для обеспечения равномер-

ного движения материала внутри печи.

Для предотвращения выделения горючего охлаждающего газа на нижнем

конце шахтной печи в нижний динамический газовый затвор также вдувается инерт-

ный газ.

124

Для создания циркуляции в цикле технологического и охлаждающего газов

установлены ротационные компрессоры.

Компрессия технологического газа происходит в трех компрессорах техноло-

гического газа в двух ступенях.

Для повышения давления охлаждающего газа используется один компрес-

сор.

2.5.6 Генерация восстановительного газа

Отличительной особенностью установок прямого восстановления является

использование газового восстановителя, который формируется установкой генери-

рования восстановительного газа - реформером.

Существует три типа конверсии природного газа: паровая, углекислотная,

кислородная.

Причем получение восстановителя может протекать как в отдельном агре-

гате, так и в самом агрегате восстановления. Так, способы Армко и Пурофер ис-

пользуют только реформер. Процессы Мидрекс и ХиЛ сочетают в себе оба прин-

ципа. Здесь природный газ подается одновременно и в реформер, и в шахтную

печь. Многие процессы используют оборотный цикл восстановителя. Колошнико-

вый газ очищается от паров воды и других вредных веществ, а затем направляется

в реформер или контур восстановительного газа. Использование оборотного цикла

повышает производительность, снижает расход природного газа, исключает необ-

ходимость производства кислорода. По принципу рециркуляции работают про-

цессы Мидрекс, ХиЛ, Пурофер. В способе Армко вначале использовалась кисло-

родная конверсия в шахтной печи, а затем конверсия углекислотой отходящего

газа.

На установках металлизации, действующих в Российской Федерации, техно-

логия получения восстановительного газа основана на углекислотной (процесс

MIDREX) или паровой (HYL) конверсии природного газа, которые протекают по ре-

акциям:

ΔН реакции (кДж/м³)

CH4 + H2O → CO + 3H2 -8650

CH4 + СO2 → 2CO + 2H2 -10 500.

Для равновесия протекания в указанном направлении вышеуказанные реак-

ции не должны быть завершены. Всегда должен быть избыток H2O и CO2 в газовой

смеси для реформинга во избежание отложения углерода на трубах реформера,

в результате чего в горячем реформированном газе остается H2O плюс CO2 (CO и

H2 около 95,0% плюс CO2 и H2O - 5,0%).

Каталитический реформинг (конверсия) природного газа происходит на нике-

левом катализаторе в реакционных трубах реформера при температуре в пределах

от 900 до 1000 °C. Реакции конверсии вызывают приблизительно 30% увеличения

в объеме газа.

Реформированный газ характеризуется восстановительной способностью

(ВСГ), которая определяется отношением:

125

R=CO+H2 ,

CO₂+H₂O

где H2O, CO2, H2, CO - содержание соответствующих компонентов в восстанови-

тельном газе, %.

Для эффективного процесса восстановления восстановительная способ-

ность газа, поступающего в печь металлизации, должна быть не ниже 93%.

Промышленные печи для каталитической конверсии представляют собой аг-

регаты с большим числом вертикальных труб с внутренним диаметром от 130 до

260 мм, в зависимости от мощности реформера, и обогреваемой частью длиной 5-

15 м. Печное пространство облицовано огнеупорным кирпичом; обогрев печей ве-

дут дымовыми газами, образующимися при сжигании углеводородных газов в спе-

циальных горелках. Распределение потока исходного газа по отдельным трубам,

заполненным катализатором, а затем сбор конвертированного газа обеспечива-

ются системой газоподводящих и газоотводящих труб. В конвективном теплооб-

меннике идет вторичное использование тепла выходящих из печи дымовых газов.

Только высоколегированные хромоникелевые стали с относительно высоким

содержанием углерода дают возможность применять сравнительно высокие дав-

ления в современных процессах трубчатой конверсии. В условиях эксплуатации

трубы подвергаются воздействию внутреннего давления, массы трубы, термиче-

ских напряжений. Моменты напряжения, возникающие под воздействием массы

труб, заполненных катализатором, действуют в аксиальном направлении и должны

быть, насколько возможно, полнее скомпенсированы соответствующим противове-

сом или пружинной подвеской. Исключительное значение в трубчатой конверсии

имеет безотказная работа коллекторной системы, питателей и некоторых других

узлов технологического оборудования.

Первым этапом любого варианта конверсии метана является удаление из

него сернистых соединений, которые являются каталитическими ядами для боль-

шинства используемых катализаторов и действуют необратимо.

Необратимость отравления катализатора выражается в том, что при прекра-

щении поступления сероводорода на катализатор в составе исходной смеси, актив-

ность катализатора не восстанавливается.

Наличие в исходном газе сернистых соединений обусловлено как определен-

ным их содержанием в самом природном газе, так и наличием в транспортируемом

природном газе соединений типа меркаптанов - сильно пахнущих веществ, кото-

рые добавляют в добываемый природный газ.

Удаление серы, содержащейся в природном газе в виде сероводорода, про-

исходит в результате следующей реакции:

ZnO + H2S = ZnS + H2O.

Данная реакция осуществляется в десульфураторах, заполненных цинковым

поглотителем.

126

Перевод серосодержащих соединений (меркаптанов и сероуглеродов) в се-

роводород происходит в гидрогенизаторе с кобальтомолибденовым катализатором

по следующим реакциям:

RSH + H2 = RH + H2S

COS + H2 = CO + H2S.

Эти реакции протекают при температуре 330-370 °C, которая достигается пу-

тем подогрева природного газа в змеевиках рекуператора, использующего тепло

дымовых газов, образующихся в реформере при сжигании топлива.

Водород, необходимый для реакций гидрогенизации, поступает либо с ча-

стью реформированного газа, либо из баллонов (при первоначальном пуске), либо

с частью колошникового газа и при помощи компрессора гидрогенизатора подается

в линию природного газа, смешиваясь с ним. Газовая смесь должна содержать не

менее 4% водорода по объему.

Отработанный адсорбент регенерируют с получением свободного сероводо-

рода, используемого для производства газовой серы.

Содержание серы в очищенном природном газе не должно превышать

0,5·10^-6% (по объему), при превышении массовой доли серы выше указанного зна-

чения производят замену цинкового поглотителя (ZnO).

Реформер на установке металлизации в технологии HYL-III

Участок по производству реформированного газа включает в себя газопаро-

вой реформер природного газа, установку десульфурации природного газа, рекупе-

раторы, парогенераторы и башню охлаждения реформированного газа (см. рису-

нок 2.40).

127

Рисунок 2.40 - Участок по производству реформированного газа на

установке HYL-III

Система десульфурации включает барабанный сепаратор природного газа,

змеевиковый подогреватель природного газа, расположенный в конвективной сек-

ции реформера, один гидрогенизатор, два компрессора гидрогенизации и две уста-

новки десульфурации.

Природный газ под давлением 11-12 кг/см² поступает в барабанный сепара-

тор природного газа 1, где происходит удаление конденсата, содержащегося в газе.

Природный газ смешивается с частью реформированного газа (в первоначальный

момент запуска вместо реформированного газа используют водород) и проходит

через змеевики подогрева смешанного газа, расположенные в конвективной секции

реформера (C8), где он нагревается до температуры 370 °C.

После подогрева газ поступает на установку десульфурации, состоящую из

гидрогенизатора 2 и двух десульфураторов 3, где происходит удаление серы, со-

держащейся в природном газе, до максимально допустимого уровня (не более

0,5 10^-6% (по объему)) для предотвращения отравления катализатора в трубах ре-

формера. После этого смешанный газ, не содержащий серы, поступает в точку сме-

шивания с перегретым паром в соотношении пар/углерод приблизительно 2,2:1 по

объему.

Смесь направляется в змеевики конвективной секции реформера (C2), где

подогревается до температуры 550 °C, и далее в трубы реформера, заполненные

катализатором на никелевой основе, находящиеся в секции радиационной секции

128

реформера, в которых проходят реакции конверсии природного газа с паром. В ре-

зультате этих реакций получается реформированный газ. Потребность в тепловой

энергии для секции генерирования реформированного газа удовлетворяется за

счет сгорания газообразной топливной смеси, состоящей из природного газа и

сбросного газа с цикла восстановления.

Так как для предотвращения осаждения углерода на катализаторе конверсия

происходит при значительном избытке окислителя (пара), реформированный газ на

выходе из реформера содержит большое количество влаги, которую необходимо

удалить путем конденсации в результате охлаждения газа. Реформированный газ,

выходящий из реформера при температуре 830 °C и давлении 7 кг/см², проходит

через котел-утилизатор 7 и подогреватель котловой воды 5, где происходит утили-

зация тепла потока реформированного газа с целью генерирования насыщенного

пара. Затем реформированный газ проходит через систему охлаждения с целью

удаления воды: охладительную диафрагму 6, башню охлаждения и газосепаратор.

После удаления влаги реформированный газ направляется к точке смешивания с

рециркулирующим восстановительным газом и поступает в секцию восстановле-

ния.

Тип реформера - радиационно-конвективный с дутьевым и вытяжным венти-

ляторами, работающими от электродвигателей, технические характеристики ре-

формера представлены в таблице 2.10.

Таблица 2.10 - Технические характеристики реформера HYL-III

Единица

Усредненное

Показатель

измерения

значение

Расход природного газа

кг/ч

13 400

Соотношение пар/газ

моль/ат

2.2

Общий расход смеси (газ + пар)

кг/ч

45 355

Молярная масса (вход/выход)

17,33/11,25

Плотность (вход/выход)

кг/м³

2,49/0,94

Рабочая температура (вход/выход)

°C

550/830

Количество труб

шт.

180

Количество рядов

шт.

Внутренний диаметр

мм

127

Максимальная температура труб

°C

874

Проектное давление

кг/см²

Проектная температура

°C

933

Объем катализатора

м³

25,1

Тип катализатора

DYCAT 890

Размер и форма катализатора

мм

16 × 16 × 7, кольцо

Массовая плотность

кг/м³

1050

129

Окончание таблицы 2.10

Единица

Усредненное

Показатель

измерения

значение

Топливо:

- расход природного газа

кг/ч

3870

- низшая теплотворная способность

ккал/кг

11 770

- избыток воздуха

- расход топливного (сбросного) газа

кг/ч

5690

- низшая теплотворная способность

ккал/кг

5745

- избыток воздуха

Радиационная секция реформера состоит из комплекта нержавеющих сталь-

ных труб, наполненных никелевым катализатором, где протекают реакции рефор-

минга. Теплота, необходимая для эндотермических реакций реформинга, подается

горелками природного газа и сбросного (остаточного) газа, расположенными в

верхней части реформера, а воздух для горения подается дутьевым вентилятором

реформера.

Так как дымовые газы, выходящие из радиационной секции реформера, пе-

реносят немало тепла, в конвективной секции реформера установлено несколько

змеевиков утилизации тепла для улучшения его теплового КПД.

В конвективной секции также есть горелки природного газа, расположенные

между подогревателем реагентов и высокотемпературным пароперегревателем,

внутри и на поде радиационного экрана бойлера.

Дымовые газы выходят из радиационной секции реформера, проходят через

змеевики, расположенные в конвективной секции, и сбрасываются в атмосферу ды-

мососом реформера.

Тепло реформированного газа используется для получения пара высокого

давления в котле-утилизаторе и для предварительного нагрева котловой воды в

преднагревателе. Газ охлаждается до 61 °C в охладительной диафрагме в резуль-

тате прямого контакта с водой. Далее газ охлаждается до 31 °C в башне охлажде-

ния (см. рисунок 2.40), где удаляется влага из реформированного газа. На выходе

из башни охлаждения в реформированном газе содержится менее 1% воды.

При установившейся работе установки давление реформированного газа на

выходе из башни охлаждения поддерживается на уровне 6,2 кг/см².

Горячие дымовые газы, выходящие из высокотемпературной части рефор-

мера, используются для нагрева змеевиков конвективной секции реформера.

Для регулирования производства пара и для аварийного производства пара

в зимних условиях, когда реформер в холодном состоянии, используется вспомо-

гательное горение с помощью пяти горелок, расположенных в конвективной секции.

В случае отсутствия природного газа в качестве топлива может использоваться ке-

росин.

Это тепло используется для генерации пара в змеевиках вспомогательного

бойлера, змеевиках бойлера II, змеевиках пароперегревателя.

130

Оставшееся тепло используется для подогрева котловой воды в змеевиках и

воздуха для горения. Дымовые газы при средней температуре 160 °C выбрасыва-

ются в атмосферу через дымовую трубу при помощи дымососа.

Требования к газовым средам, поступающим в реформер

Природный газ, поступающий на установку десульфурации, должен отвечать

следующим требованиям:

Химический состав, % (по объему):

CH4, не менее

98,6

С2H6, не более

0,4

C3H8, не более

0,1

N2, не более

0,9

Sобщее, не более

9·10^-6

Sпроект, не более

25·10^-6

Давление, не менее кг/см²

Температура, °C (средняя)

Температура максимальная, °C

Расход минимальный, м³/ч

7180

Расход, м³/ч (средний)

17 950

Высшая теплота сгорания, ккал/кг

11 770

Природный газ, поступающий к точке смешивания с паром после десульфу-

рации, должен содержать серу не более 0,5·10 % ^-6% (по объему).

Охлажденный реформированный газ, подаваемый к точке смешивания с тех-

нологическим газом, должен отвечать следующим требованиям:

Химический состав, % (по объему):

73,6

СO

16,75

73,6

CO2

5,8

СH4

3,0

H2O

0,62

0,23

Давление, кг/см²

6,2

Температура, °C

Расход, нм³/ч

70 200

Для отопления реформера используется четыре вида топлива:

- топливный сбросной газ из цикла восстановления как приоритетное топ-

ливо; при полной производительности установки это топливо удовлетворяет глав-

ную потребность в тепле;

- природный газ как подпиточное топливо для поддержания калорийности (и

при запуске) и как основное топливо для горелок вспомогательного бойлера;

- реформированный газ в течение коротких или плановых остановок секции

восстановления, когда в наличии нет сбросного газа, но реформер работает;

- может использоваться керосин в течение зимнего периода на горелки вспо-

могательного бойлера, когда нет в наличии природного газа.

131

Воздух для горения поступает из воздуходувки, предварительно нагреваясь

в бойлере барабана непрерывной продувки и змеевиках подогревателя воздуха го-

рения до температуры 190 °C. Воздух на вспомогательные горелки поступает из

той же воздуходувки, минуя преднагреватель с температурой окружающей среды,

а в зимнее время с температурой 5 °C, используя рециркуляцию горячего воздуха

(подогреватель воздуха горения). Воздух подогревается до 190 °C.

Избыток воздуха в зоне радиационной секции реформера составляет 10%,

во вспомогательной зоне - до 15% при полной производительности.

Дымовые газы удаляются из топки через конвективную секцию при помощи

дымососа. В топке реформера поддерживается разрежение 4 мм вод. ст. при по-

мощи заслонки тяги дымососа. Дымовые газы сбрасываются в атмосферу через

дымовую трубу при температуре не ниже 113 °C для предотвращения конденсации

дымовых газов и кислотной коррозии. Максимальная температура точки росы кис-

лоты в дымовом газе при нормальной работе - 113 °C.

Система пара

На участке реформера производится большое количество пара. Часть его

используется для реакций реформинга, а остальная часть идет на турбогенератор.

Котловая вода, используемая для производства пара, поступает из деаэра-

тора при температуре 110 °C и подогревается в подогревателе котловой воды, да-

лее подогревается до температуры 250 °C в змеевиках подогрева перед подачей

в паровой барабан. Количество котловой воды регулируется потоком пара, выхо-

дящего из парового барабана, и уровнем воды в нем, основанном на трехэлемент-

ном контроле.

Пар (давление 65,5 кг/см²) образуется посредством естественной циркуля-

ции котловой воды через бойлер утилизации тепла реформера, бойлеров дымо-

вого газа и змеевики вспомогательного бойлера. Выработанный пар перегревается

в змеевиках перегревателя и поступает в коллектор пара высокого давления (HP -

высокое давление). Пар из коллектора среднего давления (МР - среднее давление)

используется как пар процесса реформинга. Дополнительный насыщенный пар вы-

сокого давления поступает напрямую из парового барабана на контроль давления

пара среднего давления как пар для процесса. Змеевики пароперегревателя имеют

ребра для увеличения поверхности теплообмена. Уровень загрязнения труднорас-

творимых солей в паровом барабане поддерживается постоянной продувкой из па-

рового барабана в барабан непрерывной продувки.

Реформер на установке металлизации в технологии MIDREX

Установка реформинга представляет собой печь с подовым нагревом, верх-

ней тягой и топкой с радиационным поверхностным нагревом. Она выполнена в

виде футерованной огнеупорами газонепроницаемой сварной металлоконструк-

ции, содержащей вертикально заполненные катализатором реакционные трубы,

расположенные в 6 рядов по 5 труб, которые образуют так называемую секцию.

Корпус реформера состоит из 17-18 секций и спроектирован таким образом, чтобы

компенсировать тепловое расширение, которое происходит при достижении рабо-

чего температурного режима. Однородность температурного поля достигается с по-

мощью отводов дымового газа в боковых стенах секций реформера, используются

отводы разного сечения для равномерного отвода дымового газа (см. рису-

нок 2.41).

132

Реакционные трубы (с внутренним диаметром 260 мм) заполнены катализа-

тором на носителе, содержащем в качестве активного компонента никель. Трубы

расположены рядами разной высоты с различными функциями, специально рас-

считанными на нужды установки.

Предварительно нагретый питающий газ, представляющий собой смесь очи-

щенного от пыли и сжатого колошникового газа с природным газом, подается в ниж-

нюю часть реакционной трубы и восходящим потоком протекает через стационар-

ный слой катализатора. Природный газ подвергается стехиометрической конверсии

оксидом углерода и водяным паром, содержащимися в колошниковом газе, в ре-

зультате чего получается горячий реформированный газ с высокой концентрацией

монооксида углерода (СО) и водорода (H2). Реформированный газ, выходя из верх-

ней части каждой трубы, собирается в коллекторах. При нормальных условиях экс-

плуатации колошниковый газ содержит достаточное количество водяного пара,

чтобы можно было обойтись без нагнетания воды или вдувания пара.

Гильзы для катализаторных трубок в нижней части печи реформинга герме-

тизированы для защиты от атмосферных воздействий гофрированными мембра-

нами. Топка установки реформинга снабжена тепловой изоляцией, выполненной с

использованием соответствующих огнеупорных материалов. Смотровые окна обо-

рудованы специальным термостойким стеклом.

Рисунок 2.41 - Реформер установки MIDREX. Вид с торца

133

Для уменьшения ползучести материала в трубах (постоянный рост в течение

длительного периода эксплуатации при высоких температурах) трубы опираются

на систему пружинных опор под подом печи реформера, которая воспринимает

часть общей весовой нагрузки труб.

Температура реформированного газа может быть выше температуры, необ-

ходимой для его прямого вдувания в шахтную печь в качестве газа для кольцевого

воздухопровода. Охлаждение горячего реформированного газа производится пу-

тем подачи небольшого количества газа от компрессора технологического газа,

компрессора охлаждающего газа и/или путем обогащения реформированного газа

природным газом.

Реформер оснащен главными и вспомогательными горелками. Воздуходувка

основного воздуха подает предварительно нагретый до 550-600 °C воздух для го-

рения к главным горелкам, где он добавляется к топливной смеси природного газа

и колошникового топливного газа. Воздуходувка вспомогательного воздуха подает

воздух на вспомогательные горелки, где воздух смешивается с природным газом и

сжигается.

Главные горелки расположены симметрично между всеми рядами трубок и

обеспечивают длинное узкое пламя для эффективного нагрева реакционных труб

по длине, вспомогательные горелки, используемые в качестве запальных и пилот-

ных горелок, установлены в четыре ряда между главными горелками.

Вспомогательные горелки применяют для нагрева печи во время запуска, а

также для поддержания требуемой топочной температуры во время краткосрочных

остановок (работа установки в холостом режиме). При работе в холостом режиме

горелки поддерживают температуру печи реформинга на величину чуть ниже рабо-

чей температуры для предупреждения возникновения нежелательных напряжений

в реакционных трубах и огнеупорной футеровки вследствие изменений темпера-

туры. Обе горелочные системы работают на искусственной тяге с подачей воздуха

горения со стороны вентиляторов. Воздух горения для главных горелок подается

главным вентилятором и затем нагревается в рекуператоре; на вспомогательные

горелки подается холодный воздух от вспомогательного вентилятора.

Горение в печи реформера осуществляется с высокой эффективностью. Это

обеспечивается почти герметичной конструкцией печи, предупреждающей проник-

новение воздуха, а также точным регулированием соотношения топливного газа с

воздухом, которое является близким к стехиометрическому. Получающийся в ре-

зультате дымовой газ печи реформера по причине низкого содержания кислорода

в нем представляет собой пригодный источник для производства инертного газа.

Дымовой газ собирается в двух коллекторах, расположенных с каждой сто-

роны печи реформера. Коллекторы дымовых газов футерованы огнеупорами. Для

компенсации теплового расширения между отдельными секциями коллекторов

установлены компенсаторы. Дымовые газы, выходящие из печи реформера при

температуре примерно 1150 °C, подаются на рекуператор для утилизации тепла.

Реформинг в процессе MIDREX определяется как стехиометрический рефор-

минг. Работа при условиях, настолько близких к стехиометрическим, требует посто-

янно правильной и точной работы реформера. Неправильная работа может приве-

сти при реакциях с выпадением углерода к загрязнению катализатора, разложению

134

катализатора или повреждению высокотемпературных легированных труб рефор-

мера.

Технические характеристики реформера представлены в таблице 2.11.

Таблица 2.11 - Технические характеристики реформера

Единица

Усредненное

Наименование параметра

измерения

значение

Длина

59,5

Ширина

15,2

Высота

9,82

Количество секций

шт.

Количество реакционных труб

шт.

510

Количество горелок

шт.

306

Количество основных грелок с тепловой производитель-

шт.

170

ностью 1,5 Гкал/ч и диаметром сопла 100 мм

Количество основных грелок с тепловой производитель-

шт.

ностью 0,75 Гкал/ч и диаметром сопла 65 мм

Количество вспомогательных горелок

шт.

Большая часть реформированного газа, необходимого для восстановления

в печи, производится в реформере и вводится в печь с восстановительным газом

(газом кольцевого трубопровода). Однако некоторая часть реформинга проходит в

печи. Такой реформинг называется внутренним (in-situ reforming).

Внутренний реформинг происходит из-за наличия в печи метана и окислите-

лей. Природный газ добавляется в печь для увеличения количества углерода как

продукта реакции. Количество метана в печи возрастает при добавлении обогащен-

ного природного газа в смеситель реформированного газа и путем ввода природ-

ного газа непосредственно в печь в переходную зону.

После восстановления оксида железа до металлического железа CO и H2

преобразуются в окислители CO2 и H2O. Каталитическая поверхность восстанов-

ленного железа (DRI) позволяет окислителям реагировать с некоторым количе-

ством метана или тяжелыми углеводородами в природном газе, образуя больше

CO и H2 внутри печи.

При реформинге с CO2 образуются равные количества H2 и CO, а при рефор-

минге с H2O образуется в три раза больше H2, чем CO. Поэтому отношение H2/CO

в реформированном газе определяется на основании относительных количеств

CO2 и H2O в подаваемом в реформер газе. Реакция реформинга с CO2 медленнее,

чем реакция с H2O. Количество тепла, необходимое для протекания реакций ре-

форминга, представлено в таблице 2.12. Так как реформер использует и CO2, и

H2O, то для увеличения скорости реакции он должен работать при более высоких

температурах, чем стандартный паровой реформер.

135

Таблица 2.12 - Теплота реакции для реформинга

Эндотермическая теплота реакции, ккал/нм³ CH4

Температура, °C

Реформинг с CO2

Реформинг с H2O

700

2785

2407

800

2787

2418

900

2784

2425

1000

2776

2428

При реакциях реформинга происходит объемное расширение. Однако при

реакциях восстановления оксида железа изменений в объеме не наблюдается. Так

как количество воды, конденсирующейся в скруббере колошникового газа, меньше

объемного расширения при реформинге, всегда из скруббера колошникового газа

выходит больше газа, чем требуется для подачи в реформер. Это избыточное ко-

личество колошникового газа используется как топливный колошниковый газ на

главных горелках реформера.

Катализаторы реформера

Катализатор - это вещество, ускоряющее химическую реакцию, не участвуя

в ней. В реформере установки металлизации катализатор ускоряет реакции кон-

версии:

СН4 + СО2 ⇆ 2СО + 2Н2

СН4 + Н2О ⇆ СО + 3Н2

Катализатор состоит из активного компонента - никеля и основы - глинозема

высокой чистоты.

Питающий газ, представляющий собой смесь природного газа с паром в па-

ровом реформере или смесь природного газа с колошниковым в углекислотном ре-

формере, поступает в реакционную трубу, в которой в хаотичном расположении

находится катализатор. За счет внешней подачи тепла и газ, и катализатор нагре-

ваются до высоких температур (см. рисунок 2.42).

136

Рисунок 2.42 - Реакционная труба реформера, заполненная

катализатором

В реформере используют два или три вида катализатора Reformex. В ниж-

нюю часть трубы загружают очень прочный малоактивный катализатор.

Далее в один или два слоя загружается активный катализатор.

Катализатор представляет собой материал, который ускоряет реакцию и при

этом не поглощается, и не меняется в ходе реакции.

Реформинг - это гетерогенная каталитическая реакция, потому что реагенты

находятся в газообразном состоянии, а катализатор - в твердом. Катализаторы ре-

форминга являются составными (сложными), так как они содержат более одного

химического компонента, т. е. активную составляющую и носитель. Эффективность

катализатора зависит от собственных химических и физических свойств катализа-

тора и в некоторой степени от его разложения при использовании в реформере.

Активность катализатора очень важна для успешного стехиометрического

реформинга. Активность катализатора зависит от первичного химического состава

его активной составляющей и носителя. Активная составляющая для большинства

катализаторов реформинга - это никель, но иногда для катализаторов использу-

ется кобальт. При низкой температуре никель активнее кобальта. При высокой тем-

пературе активность никеля и кобальта примерно одинакова. Чем выше содержа-

ние активной составляющей, тем выше активность катализатора. Носителем для

большинства катализаторов реформинга является глинозем высокой степени чи-

стоты.

Выпадение углерода на катализатор снижает эффективность работы катали-

затора. Большое значение для эксплуатации реформера имеют форма и размер

гранул катализатора. Они должны обеспечивать минимальное гидравлическое со-

противление потоку газа за счет высокой порозности слоя и максимальную пере-

дачу тепла в слое за счет высокой турбулентности потока. Максимальный размер

частиц катализатора ограничен диаметром реакционной трубы. Он должен

137

быть <1/5 ее диаметра, что обеспечивает равномерную загрузку трубы катализато-

ром. Минимальный диаметр ограничен перепадом давления.

В реформерах установок металлизации используются три типа катализатора

различной степени активности. Во впускной части трубы (низ трубы) до отметки, где

температура питающего газа реформера позволяет появление углеродных отложе-

ний, требуется очень твердый катализатор низкой активности (содержание никеля

до 3 %). Далее расположен слой катализатора средней активности (3 % - 7 %). От

области трубы, где питающий газ реформера нагревается до температуры выше

700 °C, до выхода из трубы используются высокоактивные катализаторы (7 % -

15 %). Активность этих катализаторов должна быть как можно выше, чтобы довести

до максимума реакционную способность трубы, одновременно избегая отложения

углерода.

Катализатор с высокой теплопроводностью приводит к высокой теплопере-

даче к центру слоя и улучшает производительность. Поэтому плотный носитель

предпочитается легкому носителю из-за лучшей теплопроводности.

На работу катализатора могут оказывать влияние отравляющие вещества.

Каталитические яды - вещества, отрицательно влияющие на никелевый ка-

тализатор и подпадающие под категории: временные и постоянные.

Многие вещества, встречающиеся в природном газе, могут расщепляться и

образовывать углерод в пустотах вокруг частей катализатора. Расщепление этих

веществ, как правило, не приводит к разрушению катализатора. Углерод, образо-

ванный при расщеплении этих веществ, может быть удален методом выжигания,

при котором используются дымовые газы, содержащие 1,0-2,0% O2.

Известными временными ядами, которые могут быть обнаружены в потоке

питающего газа, являются: сера и все соединения серы, хлорин и другие галогены.

При присутствии в питающем газе эти каталитические яды вызывают времен-

ную потерю активности катализатора. Временный яд уменьшается до нормальных

уровней, катализатор возвращает свою нормальную активность в течение несколь-

ких дней.

Известными постоянными ядами, которые могут обнаруживаться в питаю-

щем газе, являются: мышьяк, фосфор, ванадий, медь, щелочь, серебро, свинец,

цинк, щелочные редкоземельные металлы. Данные вещества вызывают постоян-

ные, необратимые потери активности катализатора.

Даже минимальные дозы (<0,1 ppm) вышеуказанных компонентов могут вы-

звать постоянную потерю производительности со временем при нанесении покры-

тия на катализатор и блокировке доступа к порам. Несмотря на то, что довольно

редко встречается руда, содержащая заметное количество таких элементов, как

мышьяк и свинец, все равно необходимо проверять наличие в руде этих компонен-

тов, потому что потеря активности катализатора необратима.

2.5.7 Системы технологического газа

Особенность технологии получения ПВЖ в шахтных печах заключается в

том, что используется газовый восстановитель - смесь водорода и оксида углерода

в различных соотношениях, в зависимости от конкретной технологии. Кроме того, в

138

восстановительный газ может добавляться природный газ и кислород с целью осу-

ществления внутренней конверсии (внутри печи на восстановленном железе), что

позволяет интенсифицировать процессы восстановления оксидов железа.

Схема движения технологического газа в контуре восстановления установки

металлизации HYL-III представлена на рисунке 2.43.

Рисунок 2.43 - Контур технологических газов установки металлизации

HYL-III

Когда технологический газ выходит из зоны восстановления (колошниковый

газ), он последовательно проходит через следующее оборудование:

а) теплообменник восстановительного газа;

б) охладительную диафрагму восстановительного газа;

в) каплеотделитель трубы Вентури I;

г) охладительную башню (холодильник) трубы Вентури II и восстановитель-

ного газа;

д) каплеотделитель рециркулирующего газа;

е) компрессоры рециркулирующего газа;

ж) абсорбцию СО2;

з) нагреватель технологического газа.

Теплообменник восстановительного газа расположен на выходе из шахтной

печи. Здесь осуществляется подогрев восстановительного газа, идущего в нагре-

ватель технологического газа за счет утилизации теплосодержания колошникового

газа.

Отработанный колошниковый газ, приходящий из теплообменника восстано-

вительного газа, направляется в охладительную диафрагму восстановительного

139

газа. Здесь впрыскивается производственная вода, чтобы охладить газ и отделить

твердые частицы, приходящие с газовым потоком. Трехфазный поток, т. е. вода, газ

и попавшие твердые частицы направляются в каплеотделитель трубы Вентури I,

где отделяется шлам.

В трубе Вентури I впрыскивается производственная вода, а в каплеотдели-

теле - охлаждающая вода для оборудования. Вода, отделенная в Вентури I и кап-

леотделителе, направляется в трубу охлаждающей воды технологического про-

цесса, а затем в осветлитель. Поток очищенного газа, приходящий из каплеотдели-

теля трубы Вентури I, охлаждается в трубе Вентури II; для этих целей используется

вода, предназначенная для охлаждения оборудования. Возвратная вода направля-

ется в систему воды для охлаждения оборудования. Каплеотделитель рециркули-

рующего газа используется для отделения конденсата, переносимого отработан-

ным газом из холодильника технологического газа. Это цилиндрический сосуд,

установленный в веритикальном положении, внутри которого находятся насадки,

способствующие отделению капель воды от газового потока.

Очищенный и осушенный технологический газ поступает на компрессор ре-

циркулирующего газа. Компрессор рециркулирующего газа - это центробежный

компрессор, работающий от электродвигателя. Его проектная мощность - 196,882

нм³/ч. Основное назначение компрессора - рециркулировать определенный объем

газа в пределах контура восстановления. Рабочие условия на входе - 310 °C и

4,57 кг/см² абс., а на выходе - 770 °C и 6,72 кг/см² абс. В линии разгрузки компрес-

сора есть клапан рециркуляции, который направляет поток на всас компрессора.

Этот клапан используется для предотвращения помпажа, а также для контроля по-

тока технологического газа для газонагревателя. В линии разгрузки компрессора

имеется также байпасная линия системы СО2.

Очищенный колошниковый газ после компрессора направляется как поток

рециркулирующего восстановительного газа в абсорбер СО2. Система абсорбции

СО2 предназначена для очистки технологического газа от образовавшегося в печи

металлизации диоксида углерода - СО2 с целью повышения восстановительного

потенциала рециркулирующего газа. Система состоит из одной башни абсорбции,

одной башни десорбции, теплообменников, насосов и вспомогательного оборудо-

вания.

Технологический газ подается в нижнюю часть абсорбера, проходит вверх

противотоком к абсорбирующему раствору. В качестве абсорбирующего раствора

используется водный раствор метилдиэтаноламина (СН3N(CH2CH2JOH2), содержа-

щий добавку для повышения абсорбции СО2 - пиперазин HN(CH2CH2)2NH.

Метилдиэтаноламин (MDEA) является неагрессивным амином третичной об-

работки. Являясь более слабым основанием по сравнению с другими алканолами-

нами (такими как метилэтаноламин или диэтаноламин), активированный раствор

MDEA не коррозийный, не требует ни процедур пассивации, ни дополнительного

стабилизатора. Раствор имеет высокую химическую и термическую стабильность

при температурах регенерации. Он нетоксичен и склонен к биораспаду.

Высокое рабочее давление и низкая температура абсорбера ускоряют пере-

дачу массы СО2 и H2S от газа к жидкости, где они абсорбируются. Восстановитель-

ный газ из абсорбера идет в скруббер обезуглероженного газа, где он охлаждается

140

и очищается от абсорбирующего раствора, принесенного из абсорбера противопо-

током воды. Восстановительный газ из скруббера обезуглероженного газа подается

в рекуператор тепла колошникового газа и потом в нагреватель технологического

газа.

Нагреватель технологического газа предназначен для обеспечения необхо-

димой температуры технологического восстановительного газа, чтобы получить не-

обходимую энергию для восстановления железорудных окатышей. Тип нагрева-

теля технологического газа - конвективно-радиационный. Он спроектирован для

увеличения температуры восстановительного газа до 933 °C.

Дымовые газы, образующиеся в радиационной зоне, подогревают змеевики,

расположенные в верхней части нагревателя конвективной зоны. Эти дымовые

газы выходят из конвективной зоны, проходят через змеевик теплообменник воз-

духа и сбрасываются через дымосос реформера. Сжигание газа происходит с по-

мощью горелок природного газа, которые расположены на поде и стенках радиаци-

онной секции. Нагреватель имеет вытяжной и дутьевой вентиляторы и использует

подогретый воздух для горения.

Технологический газ, 295 °C и 6,21 кг/см² изб., попадает в нагреватель кон-

вективной зоны. Это первый этап нагрева, где достигается начальная температура

500 °C. Потом газ идет в радиационную зону или окончательный этап нагрева, где

газ нагревается до 933 °C и собирается в линии передачи, которая соединяется с

зоной восстановления шахтной печи металлизации.

Трубы газового нагревателя подвергаются газовой коррозии в атмосфере

восстановительного газа - так называемому процессу металл-дастинга (metal dust-

ing - образование металлической пыли). Metal dusting обычно происходит в атмо-

сфере восстановительного газа в присутствии большого количества углеводородов

в интервале температур от 450 до 900 °C. Для предотвращения данного процесса

проводят предварительное окисление труб газонагревателя с целью образования

слоя окиси хрома на наружной поверхности труб. Кроме того, производят инжекцию

соединений серы в поток технологического газа, поступающего в газонагреватель.

Целью инжекции серы является пассивирование металлической поверхности труб,

которые катализируют реакции науглероживания. Соединения серы инжецируются

в поток технологического газа, обычно 20-30 ppm H2S по объему, и добавляются в

технологический поток. Горячий восстановительный газ с температурой 930 °C,

приходящий из газонагревателя, входит в печь металлизации через кольцевой ка-

нал (фурменный пояс), проходя через слой железорудных окатышей, взаимодей-

ствует с окислами железа, последовательно его восстанавливая до чистого α-

железа.

Упрощенная схема циркуляции технологического газа на установке HYL-III

представлена на рисунке 2.44.

141

Колошниковый газ

Циркулирующий техноло-

Система очистки ко-

гический газ

лошникового газа от

Н2О и СО2

Природный

Точка

Шахтная печь метал-

смешива-

газ

лизации

ния

Реформированный газ

Нагреватель восстанови-

тельного газа

вка генерирования ре-

формированного газа

(реформер)

Пар

Природный

газ

Рисунок 2.44 - Схема циркуляции технологического газа в системе

HYL-III

Усредненные химические составы газов, участвующих в формировании вос-

становительного газа, представлены в таблице 2.13.

Таблица 2.13- Усредненные химические составы циркулирующих газов [19]

Химический состав, % (об.)

Наименование газа

СН4

Н2

СО

СО2

Н2О

Природный

98,6

0,8

0,6

Колошниковый

7,3

50,7

Реформированный

4,5

0,3

0,2

природный газ

Рециркулирующий

1,5

0,9

1,6

технологический газ

Технологический

11,5

3,5

0,4

0,6

восстановительный

Реформированный природный газ - конвертированный природный газ после скруббера; рецирку-

лирующий восстановительный газ - колошниковый газ, очищенный от СО2; технологический вос-

становительный газ - смесь первых двух газов в объемном соотношении 1:2,33 и природный газ -

0,6-0,8% от общего объема.

Схема движения технологического газа в контуре восстановления установки

металлизации MIDREX представлена на рисунке 2.45.

142

Отработанный горячий, запыленный, выходящий из шахтной печи газ (ко-

лошниковый газ) по футерованному трубопроводу поступает в скруббер колошни-

кового газа, в котором происходит его очистка и охлаждение. Охлаждение и очистка

производятся внутри емкости скруббера в три этапа. Газ сначала проходит через

трубу Вентури, где происходит удаление пыли и первоначальное охлаждение, за-

тем он проходит через насадку, выполненную из нержавеющей стали, и, наконец,

через каплеотделитель. Газ, выходящий из трубы Вентури скруббера колошнико-

вого газа, разделяется на два потока (технологический газ и топливный газ), кото-

рые проходят через две отдельные секции внутри скруббера. Топливный газ

направляется на главные горелки реформера.

Выходящий из скруббера очищенный и охлажденный технологический газ по-

дается на всас установленных последовательно компрессоров технологического

газа, где путем сжатия в два этапа обеспечивается необходимое давление газа в

замкнутой системе газовых потоков. Из второй ступени горячий копремированный

газ подается в систему рекуперации тепла отходящих газов печи реформинга (ре-

формер), где после предварительного нагрева и удаления серы в десульфурато-

рах, заполненных катализатором ZnO, смешивается с нагретым технологическим

природным газом.

Рисунок 2.45 - Схема потоков технологических газов на установке

MIDREX

После окончательного нагрева в рекуператорах этот смешанный газ пода-

ется в каталитические трубы реформера, где происходит его преобразование в ре-

формированный газ. Для обеспечения необходимого содержания углерода в ме-

таллизованном продукте поток реформированного газа смешивается с природным

газом и направляется в фурменный пояс шахтной печи как восстановительный газ.

143

Регулирование температуры восстановительного газа осуществляется путем охла-

ждения части конвертированного газа в холодильнике реформированного газа.

Трубопровод реформированного газа выполнен из огнеупорного материала. При

необходимости для предотвращения потерь тепла трубопровод может быть обору-

дован защитным металлическим кожухом.

Для регулирования температуры металлизованного продукта часть рефор-

мированного газа, расход которого регулируется клапаном горячего газа, подается

в конусную часть шахтной печи через кольцевой трубопровод повторного подо-

грева.

2.5.8 Системы рекуперации тепла

На установке HYL-III реформер имеет конвективную секцию, так как дымовые

газы, выходящие из радиационной секции реформера, переносят немало тепла. В

конвективной секции реформера установлено несколько змеевиков утилизации

тепла для улучшения его теплового КПД.

В конвективной секции реформера устанавливаются следующие змеевики

утилизации тепла:

а) подогреватель реагентов «В» смеси природного газа/пара;

б) бойлер с радиационным экраном «А»;

в) высокотемпературный пароперегреватель;

г) низкотемпературный пароперегреватель;

д) подогреватель смеси реагентов «А»;

е) подогреватель природного газа;

ж) бойлер дымового газа;

з) экономайзер котловой воды;

и) подогреватель воздуха для горения.

Из шахтной печи металлизации HYL-III выходит горячий колошниковый газ

с температурой 350-450 °C. В целях рационального использования тепла уста-

новка снабжена рекуператором технологического газа, который представляет со-

бой кожухотрубный противоточный теплообменник (см. рисунок 2.46).

Рекуператор используется для передачи тепла от колошникового газа, выхо-

дящего из шахтной печи, холодному восстановительному газу для его предвари-

тельного нагрева.

Со стороны кожуха, т. е. в межтрубном пространстве, движется холодный

восстановительный газ с давлением 6 МПа абс. и температурой на входе около

75 °C. В рекуператоре восстановительный газ подогревается до температуры 270-

300 °C. Горячий колошниковый газ поступает в трубы рекуператора с температурой

380-420 °C и охлаждается до температуры около 200 °C.

Проектная теплоотдача составляет 21,7 Гкал/ч.

144

Рисунок 2.46 - Кожухотрубный противоточный рекуператор

технологического газа

Для предотвращения засорения внутренних стен труб рекуператора, по кото-

рым движется колошниковый газ, восстановительный газ предварительно нагрева-

ется до температуры около 75 °C в подогревателе восстановительного газа. Подо-

греватель восстановительного газа работает с паром низкого давления и представ-

ляет собой петлевой кожухотрубный теплообменник.

Кроме того, процессы рекуперации тепла используются в газовом нагрева-

теле восстановительного газа.

Подогретый до 295 °C поток восстановительного газа после рекуператора

технологического газа поступает в газонагреватель (см. рисунок 2.47). Общий поток

восстановительного газа к нагревателю разделяется на два потока и направляется

в конвективную секцию нагревателя на змеевики подогрева технологического газа

C4, а затем на змеевики подогрева технологического газа C3. Из конвективной сек-

ции подогретый до 550 °C восстановительный газ через два наружных коллектора

поступает в радиационную часть. Радиационная часть газонагревателя состоит из

двух секций, в каждой секции расположены 45 радиационных змеевиков, где вос-

становительный газ нагревается до температуры 930 °C. Нагретый восстанови-

тельный газ направляется в шахтную печь через сборный коллектор.

145

Рисунок 2.47 - Нагреватель восстановительного газа

Дымовой газ из радиационной секции направляется в конвективную секцию.

После утилизации тепла в конвективной секции дымовой газ проходит змеевики по-

догрева воздуха (C5, см. рисунок 2.47), охлаждаясь до 190 °C. В подогревателе

воздуха горения воздух подогревается, забирая тепло дымового газа, и направля-

ется на горелки газового подогревателя.

После этого дымовой газ выбрасывается в атмосферу при помощи дымо-

соса.

Для уменьшения потребления энергии на установке прямого восстановления

железа MIDREX используется рекуператор, в котором осуществляется утилизация

тепла горячих дымовых газах, поступающих от реформера. Рекуператор выполнен

из огнеупорного материала и включает в себя:

- нагреватель воздуха горения для главных горелок реформера;

- нагреватель смешанного газа;

- нагреватель природного газа;

- нагреватель топливного газа;

- нагреватель технологического газа.

Система рекуперации тепла состоит из двух идентичных параллельных ре-

куператоров. Каждый рекуператор представляет собой корпус из углеродистой

стали с двумя теплообменниками, футерованный изнутри. Корпус выполняет роль

канала, направляющего дымовой газ через теплообменники к дымовой трубе

(см. рисунок 2.48).

После рекуператора дымовой газ сбрасывается в атмосферу через ин-

жекторную трубу, оборудованную вентилятором для принудительной подачи воз-

духа для создания необходимого разряжения в топке реформера и рекуператоре.

146

Рисунок 2.48 - Схема системы рекуперации тепла на установках

MIDREX

Основные технологические показатели работы установок металлизации

HYL-III мощностью 1000 тыс. т/г ГБЖ и MIDREX мощностью 1400 тыс. т/г ГБЖ пред-

ставлены в таблицах 2.14 и 2.15.

Таблица

2.14

- Основные технологические показатели работы установки

металлизации HYL-III

Единицы

Наименование показателя

Численное значение

измерения

Объем производства

тыс. т/г

1000

Проектная производительность печи

т/ч

128,2

Температура восстановительного газа на входе в

°C

920-930

печь

Температура в зоне восстановления

°C

840-850

Температура газа на выходе из печи

°C

400-450

Расход природного газа в конус печи

тыс. м³/ч

1,1-1,3

Расход природного газа в фурменную зону

тыс. м³/ч

1,6-1,8

Расход восстановительного газа

тыс. м³/т

1,64-1,79

Расход реформированного газа

м³/т

546

Расход природного газа, всего

м³/т

327-330

147

Таблица

2.15- Основные технологические показатели работы установки

металлизации MIDREX

Единицы

Наименование показателя

Числовое значение

измерения

Объем производства

тыс. т/г

1400

Проектная производительность печи

т/ч

179,5

Температура восстановительного газа на входе

°C

880-900

в печь

Температура в зоне восстановления

°C

820-830

Температура газа на выходе из печи

°C

310-330

Расход природного газа в конус печи

тыс. м³/ч

3,5-5

Расход природного газа в фурменную зону

тыс. м³/ч

11-15

Расход восстановительного газа

тыс. м³/т

1,5-1,7

Расход реформированного газа

м³/т

1500-1600

Расход природного газа, всего

м³/т

290-350

2.5.9 Способы снижения вторичного окисления прямо

восстановленного железа

Как известно, свежий твердый металлизованный продукт обладает склонно-

стью к вторичному окислению. Вторичное окисление связано с наличием избыточ-

ной энергии массы металлизованного материала, которая главным образом свя-

зана с большой величиной поверхности кусков и, следовательно, высокой величи-

ной поверхностной энергии. Окисление свежевосстановленного губчатого железа

может развиваться очень бурно, тепло, выделяемое при окислении, расходуется на

разогрев массы металлизованного материала, тем самым ускоряя процесс окисле-

ния, что может привести к самовозгоранию губчатого железа. Даже если самовоз-

горания не происходит, снижается степень металлизации продукта, а, следова-

тельно, его металлургическая ценность. Поэтому при производстве губчатого же-

леза необходимо принимать меры для подавления вторичного окисления.

Для этого используют такие способы, как пассивация металлизованного ма-

териала либо его брикетирование, которое обеспечивает резкое снижение поверх-

ностной энергии.

Окислительная пассивация восстановленных окатышей

В результате медленного окисления на сухом воздухе активность губчатого

железа может снижаться максимально в 100 раз, а в результате пассивации слабо

окислительными газами при повышенных температурах - в 1000-5000 раз. Однако

это не предохраняет от вторичного окисления при попадании влаги. Это обуслов-

лено высокой дефектностью и неоднородностью образованной пленки, которая

гидратируется, приобретает рыхлую структуру и уже не может служить защитой от

коррозии.

При температуре обработки не выше 250 °C процесс окисления развивается

только с поверхности окатыша, образуя пленку окислов толщиной 0,1-0,2 мм. Окис-

148

ления металлического железа в ядре не происходит. При более высоких темпера-

турах процесс окисления развивается на всю глубину окатыша, при этом окислы

железа не образуют сплошной защитной пленки на его поверхности.

Пассивация окатышей производится в бункерах в газовой среде с содержа-

нием кислорода около 2% при температуре окружающей среды в течение 36-72 ч.

Горячее брикетирование восстановленных окатышей и охлаждение

ГБЖ

Существенно замедлить процесс вторичного окисления позволяет метод го-

рячего брикетирования восстановленных окатышей.

В процессе брикетирования происходит сжатие низкоплотного и высокогра-

нулированного материала - металлизованных окатышей с помощью двух валков,

имеющих полости, которые, вращаясь и надавливая друг на друга, с помощью шне-

кового питателя вдавливают материал в полости. Материал, попавший в них, вы-

нужден уменьшать свой объем. После сжатия гранулированного материала пустые

пространства в его внутренней структуре и между его гранулами минимальны. Со-

ставляющие металлические частицы связываются, образуя более плотный твер-

дый материал, имеющий профиль, определенный полостями валков.

В процессе брикетирования важна температура прессуемого материала, так

как сжатие происходит более эффективно, когда материал мягкий. Таким образом,

в случае с металлизованным железом его температура должна быть не менее

650 °C - чем мягче материал, тем лучше связывание частиц и выше плотность бри-

кетов [18].

Технологическая схема системы брикетирования горячего губчатого железа

из кусковой руды или окатышей основана на использовании волковых брикет-прес-

сов и применяется на нескольких установках внедоменного получения железа. Ли-

ния горячего брикетирования металлизованных окатышей состоит из следующих

элементов:

- системы разгрузки металлизованных окатышей;

- валкового пресса со шнековым питателем;

- делителя брикетной ленты;

- вибрационного охладителя брикетов.

Загрузка валкового пресса осуществляется шнековым питателем. С помо-

щью шнекового питателя регулируется подача необходимого количества горячих

металлизованных окатышей на участок прессования. Шнековый питатель приво-

дится в действие гидродвигателем с регулируемой скоростью [18].

Брикетный пресс оснащен комплектом из двух валков: плавающего и непо-

движного. Привод валков брикет-пресса осуществляется с помощью электродвига-

теля с регулируемой скоростью. Двигатель соединяется с редуктором, который со-

единен с валками брикет-пресса.

Прессующими элементами валков являются сегменты, укрепленные на кор-

пусе валков прижимными кольцами с водяным охлаждением (см. рисунок 2.49).

Пространство на раме и вокруг валков закрыто изолирующим корпусом. Та-

ким образом, тепловое излучение не передается на другие части машины. В то же

время создается объем, который можно инертизировать. Это помогает снизить

окисление пыли губчатого железа и предотвращает перегрев.

149

Пресс снабжен системой инертного газа, которая состоит из впрыскных па-

трубков (форсунок) с внутренними линиями в прессе и соединительных фланцев, к

которым подсоединяется внешняя система линий инертного газа.

Рисунок 2.49 - Сегмент пресса горячего брикетирования

Достаточное количество инертного газа предотвращает повторное окисле-

ние продукта и таким образом неконтролируемое выделение тепла, воздействую-

щее на механизмы пресса. Впрыск инертного газа на сегменты служит не только

для инертизации пространства вокруг роликов, но и для охлаждения поверхности

сегментов.

Брикетная лента выходит из валков по диагонали через разгрузочный желоб

валков, направляющий брикетную ленту на разделитель ленты или разделитель

брикетов, на котором брикетная лента делиться на отдельные брикеты.

После разделения брикеты через соединительный канал поступают на охла-

ждение (см. рисунок 2.50).

Охлаждение брикетов происходит на охлаждающих конвейерах методом во-

дяного охлаждения. Существует несколько способов водяного охлаждения: погру-

жение в ванну с водой, струйное, медленное охлаждение посредством форсунок

тонкого распыла, что обеспечивает почти мгновенное превращение капель воды в

пар, и тогда брикет не подвергается высоким температурным напряжениям.

Вибрационный холодильник брикетов работает по принципу резкого водного

охлаждения. Горячий материал падает в воду, которая подается потоком в проти-

воположном направлении транспортировки материала через холодильник. Для

охлаждения 50 т/ч продукта от 700 до 80 °C требуется приблизительно расход

250 м³/ч воды. Варьируя количество поступающей воды и выдержку брикетов во

времени, можно регулировать их температуру разгрузки. Рекомендуется темпера-

тура 80 °C, потому что остаточное тепло препятствует проникновению воды в поры

и соответствует условиям более быстрого высыхания поверхности брикетов.

Пар, образовавшийся при прямом контакте охлаждающей воды технологиче-

ского процесса с горячими брикетами, сбрасывается в атмосферу естественной тя-

гой.

Вибрационный холодильник брикетов оборудован приводом регулируемой

скорости, который позволяет настраивать время выдержки продукта в воде. Охла-

жденный продукт передается на ленточный конвейер, оснащенный термостойкой

150

лентой, и далее системой конвейеров транспортируется на склад открытого хране-

ния готового продукта. Транспортируемый продукт имеет температуру около 70-

80 °C.

Основные технологические показатели работы брикет-пресса представлены

в таблице 2.16.

Рисунок 2.50 - Схема установки брикетирования и охлаждения

брикетов

Таблица 2.16 - Основные технологические показатели работы брикет-пресса и

виброохлаждающего конвейера

Единицы

Наименование показателя

Численное значение

измерения

Производительность

т/ч

Температура прессуемого материала

°C

680-750

Диаметр ролика

мм

1000

Рабочая ширина ролика

мм

220

Диапазон скоростей вращения роликов

об./мин

4,2-17

Рабочий зазор роликов

мм

Общее прессующее усилие

кН

2400-3080

Удельное прессующее усилие

кН/см

110-140

Давление в гидравлической системе

бар

166-191

Скорость шнекового питателя

об./мин

0-150

151

Окончание таблицы 2.16

Единицы

Наименование показателя

Численное значение

измерения

Потребляемая электроэнергия

кВт

674

Расход воды на охлаждающий вибрационный

м³/ч

250

конвейер

Медленное охлаждение брикетов ГБЖ осуществляется на конвейерах охла-

ждения с помощью мелкодисперсных водяных струй (см. рисунок 2.51).

Данная система охлаждения включает в себя конвейеры охлаждения, си-

стему пароудаления, систему аварийного охлаждения, систему форсунок тонкого

диспергирования, насосную станцию охлаждающей воды, классификатор шлама

брикетов.

Особенностью системы медленного охлаждения является мелкодисперсное

распыление воды, обеспечиваемое высоким давлением подачи воды на все фор-

сунки. Охлаждение брикетов осуществляется водяными струями тонного распыла,

которые создают «водяной туман», что обеспечивает медленное охлаждение бри-

кетов, снижение расхода воды. Данный фактор обуславливает большую длину

охлаждающего конвейера.

Охлаждающий конвейер представляет собой лотковый конвейер - это ме-

таллический конвейер, изготовленный из износостойкой, специальным образом

термически обработанной толстолистовой стали. Ячейки конвейера перекрывают

друг друга для формирования практически пыленепроницаемой конвейерной сек-

ции. Боковая стенка приваривается к концам каждой пластины.

Рисунок 2.51 - Принцип действия конвейера медленного охлаждения

152

Через каждые две пластины на основании конвейера располагаются колеса,

которые крепятся болтами. Эти колеса устанавливаются на рельсы и транспорти-

руют конвейер по всей его длине, используя цепной механизм, который приводится

в движение ведущим валом. В хвостовом конце конвейера устанавливаются натяж-

ные устройства, чтобы обеспечить необходимое натяжение конвейеру (см. рису-

нок 2.52).

Рисунок 2.52 - Внешний вид лоткового конвейера медленного

охлаждения

Ролики в кованных и упрочненных корпусах установлены на независимых

держателях посредством вставок с винтовым соединением и могут быть заменены

отдельно друг от друга.

Звенья лоткового конвейера могут быть заменены отдельно друг от друга,

что позволяет проводить быструю частичную замену фрагментов конвейера с по-

следующим ремонтом. Номинальная мощность конвейера - 130 т/ч, максималь-

ная - 140 т/ч.

Длина конвейера в горизонтальной проекции составляет 37,825 м.

На конце конвейера располагается система мониторинга температуры, пред-

назначенная для контроля конечной температуры брикетов и регулирующая общий

расход воды, а также профиль распределения воды по всей длине конвейера. Ниже

ведущего вала установлена вращающаяся щетка для очистки поверхности сопри-

косновения охлаждающих конвейеров с брикетами.

Охлаждающий конвейер оборудован точками пароудаления, для того чтобы

удалять пар, образующийся при охлаждении брикетов. Данные конвейера просты

в обслуживании и ремонте. Гарантированный изготовителем межремонтный цикл

составляет от 2 до 6 лет.

2.5.10 Водоподготовка, оборотное водоснабжение

Оборудование установок металлизации подвергается охлаждению посред-

ством охлаждающей воды, на установке HYL-III вода используется для получения

153

пара, также вода используется в многочисленных установках очистки газовых по-

токов, поэтому системам водоподготовки уделяется пристальное внимание.

На установке металлизации HYL-III система водоподготовки состоит из двух

стадий:

- предварительной очистки воды;

- деминерализации.

Установка предварительной очистки предназначена для проведения ряда фи-

зико-химических процессов, направленных на получение из технической воды воды

заданного качества, используемой для:

- получения деминерализованной воды;

- подпитки открытого оборотного цикла воды, идущей на охлаждение оборудо-

вания;

- подпитки открытого оборотного цикла воды, идущей на охлаждение и очистку

газа;

- собственных нужд установки (приготовление известкового молока, приготов-

ление раствора полиэлектролита, промывка гравийно-угольных фильтров).

В результате очистки воды образуется шлам, который сбрасывается в шламо-

отстойник.

Для обработки технической воды используются следующие химические реа-

генты:

- хлорное железо, используемое в качестве коагулятора;

- гидратная известь, используемая для получения коагулянта и для известко-

вания воды;

- полиэлектролит на базе полиакриламида, используемый как флокулянт;

- серная кислота, используемая для выравнивания pH очищенной воды.

Поток деминерализованной воды используется для оборотного цикла воды

для охлаждения машин, получения котловой воды, а также может использоваться

как подпиточная вода и для приготовления растворов при очистке восстановитель-

ного газа от СО2.

Для снижения скорости коррозии металлоконструкций и оборудования в

воду, поступающую на охлаждение оборудования и других систем, добавляют ин-

гибитор коррозии, подавляющий окисление металла.

Система водоснабжения на установке MIDREX предназначена для охлажде-

ния оборудования, очистки и охлаждения технологических газов, поддержания вла-

госодержания в газе, поступающем на процесс конверсии, удаления шламов, пожа-

ротушения.

Система водоснабжения состоит из трех оборотных циклов:

1) оборотного цикла охлаждения оборудования;

2) оборотного цикла «чистой» технологической воды;

3) оборотного цикла «грязной» технологической воды.

Для поддержания качества воды, циркулирующей в оборотных циклах, про-

изводится ее обновление путем сброса воды из первого, второго и третьего обо-

ротных циклов в промышленную канализацию и подпитки.

Первый оборотный цикл предназначен для охлаждения оборудования уста-

новки металлизации.

154

Второй оборотный цикл предназначен для охлаждения воды первого оборот-

ного цикла, охлаждения реформированного газа, уплотнительного газа, подачи

воды для промывки каплеотделителей технологического газа, охлаждения брике-

тов.

Третий оборотный цикл предназначен для охлаждения и очистки от пыли ко-

лошникового газа, для регулирования содержания влаги в технологическом газе,

очистки от пыли воздуха системы аспирации шахтной печи и тракта подачи окаты-

шей, промывки всасывающих трубопроводов насосных установок сгустителя.

Вспомогательные водные системы

Подпиточная вода предназначена для заполнения водой системы водоснаб-

жения при первом пуске в эксплуатацию установки металлизации и после капиталь-

ных ремонтов, а также для компенсации потерь воды во время эксплуатации.

Установка умягчения воды предназначена для заполнения первого оборот-

ного цикла при первичном пуске в эксплуатацию, после капитальных ремонтов, а

также для компенсации потерь воды в первом оборотном цикле.

2.5.11 Вспомогательные системы установок металлизации

На установке прямого восстановления HYL-III имеется вспомогательное обо-

рудование, которое дополняет участки восстановления и реформера, образуя вме-

сте целую установку. Вспомогательное оборудование имеет свой контур и функ-

цию. Вспомогательное оборудование:

- система пара;

- система воды для охлаждения оборудования;

- система охлаждающей воды технологического процесса;

- система котловой воды;

- система воды для охлаждения машин;

- система азота - N2;

- система инертного газа;

- гидравлическая система;

- система сжатого воздуха.

На установке прямого восстановления MIDREX к вспомогательным системам

относятся:

- система производства инертного и уплотнительного газа;

- система оборотных циклов водоснабжения;

- система сжатого воздуха;

- система управления и базовая автоматизация.

155

Таблица 2.17 - Основные этапы производства железа прямого восстановления

Основное

Этап процесса

Выходной по-

Входной поток

технологическое

Эмиссии

(подпроцесс)

ток

оборудование

Производство восстановительного газа

Природный

Конверсия природного

Восстанови-

Реформер.

Дымовые

Газ

газа на катализаторах

тельный газ,

Цинковый поглоти-

газы (СО2 -

Пар

в трубах реформера

содержащий

тель серы (серо-

6-9%, Н2О

Очищенный от

водород и ок-

очистка)

-12-17%,

пыли колош-

сид углерода

N2 - 70-

никовый газ

71%, О2 -

2-5%)

Подача оксидов в печь металлизации

Железоруд-

Транспортирование с

Железорудные

Конвейерный

Пыль с со-

ные окислен-

фабрики окомкования

окисленные

транспорт, бун-

держанием

ные окатыши

или со склада

окатыши

кера, грохота, уста-

оксидов

Сортировка

кл. +5 мм бо-

новка покрытия,

кремния

Покрытие инертным

лее 95%, по-

вертикальный кон-

SiO2

материалом (цемен-

крытые мате-

вейер

том, меловой или из-

риалом, не со-

вестняковой суспен-

держащим же-

зией)

леза

Восстановление оксидов железа до железа металлического

Железоруд-

Нагрев окатышей, про-

Восстановлен-

Шахтная печь ме-

Шлам

ные окислен-

текание химических

ные (металли-

таллизации

ные окатыши

реакций восстановле-

зованные) ока-

кл. +5 мм бо-

ния оксидов железа

тыши

лее 95%, по-

крытые инерт-

ным материа-

лом

Брикетирование горячих восстановленных окатышей

Восстановлен-

Брикетирование

Горяче-брике-

Брикет-пресса

Шлам

ные окатыши

тированное же-

с температу-

лезо (ГБЖ)

рой 670-

700 °C

Охлаждение ГБЖ

Горяче-брике-

Охлаждение с помо-

Охлажденное

Виброохлаждаю-

Пар, шлам

тированное

щью водной среды

ГБЖ

щий конвейер, кон-

железо (бри-

(струи, ванна)

вейер медленного

кеты)

охлаждения

Пассивация холодных металлизованных окатышей

Холодные

Выдержка в потоке

Пассивирован-

Бункера пассива-

Азот, пыль

восстановлен-

азота с содержанием

ные металли-

ции

ные окатыши

кислорода 1,5%

зованные ока-

тыши (DRI)

156

Окончание таблицы 2.17

Основное

Этап процесса

Выходной по-

Входной поток

технологическое

Эмиссии

(подпроцесс)

ток

оборудование

Транспортирование готового металлизованного продукта на склад или бункера отгрузки

Холодные

Транспортирование

Пассивирован-

Конвейерный

Пыль

восстановлен-

конвейерным транс-

ные металли-

транспорт, вибра-

ные пассиви-

портом, грохочение

зованные ока-

ционные грохота

рованные ока-

тыши, ГБЖ

кл. +5 мм

Очистка колошникового (технологического циркуляционного) газа

Колошнико-

Очистка от пыли, во-

Циркуляцион-

Скруббер обеспы-

Шлам

вый газ из

дяных паров, СО2 (в

ный технологи-

ливания, Адсорбер

печи металли-

установке HYL-III),

ческий газ

и десорбер СО2

зации состав:

Н2-30-55%;

СО - 12-17%;

СО2-12-23%;

Н2О - 10-15%

H2S, SO2

Таблица 2.18- Основное оборудование

Наименование оборудования

Назначение оборудования

Описание

Шахтная печь

Нагрев железорудных окаты-

HYL-III, MIDREX

шей, восстановление оксидов

железа до железа металличе-

ского

Реформер

Генерация восстановитель-

Паровой реформер HYL-

ного газа или конверсия при-

III,

углекислотный MID-

родного газа

REX

Компрессор рециркулирую-

Транспортирование восстано-

Одноступенчатый цен-

щего технологического газа

вительного газа через печь

тробежный компрессор,

металлизации и аппараты

работающий от электро-

очистки

двигателя

Рекуператор

Рекуперация тепловой энер-

Кожухотрубный противо-

гии колошникового газа, ды-

точный рекуператор

мовых газов реформера

(HYL-III)

В технологии MIDREX

рекуператор представ-

ляет собой корпус из уг-

леродистой стали с теп-

лообменниками, футеро-

ванный изнутри. Корпус

выполняет роль канала,

направляющего дымовой

газ через теплообмен-

ники к дымовой трубе

157

Продолжение таблицы 2.18

Наименование оборудования

Назначение оборудования

Описание

Абсорбер углекислого газа

Очистка колошникового газа

Представляет собой со-

от СО2 в технологии HYL-III

суд, работающий под

давлением, внутри кото-

рого размещены распре-

делительные решетки и

насадки. В верхней части

абсорбера разбрызгива-

ется водный раствор ме-

тилдиэтаноламина, кото-

рый поглощает из техно-

логического газа кислые

газовые компоненты

(СО2, H2S). Работает в

паре с десорбером СО2,

предназначенным для

регенерации поглоти-

тельного раствора. Выде-

лившийся в десорбере

газ поступает на уста-

новку дожигания

Нагреватель технологиче-

Нагрев восстановительного

Установка, состоящая из

ского газа

газа перед подачей в печь до

двух радиационной и кон-

температуры 920-930 °C в

вективной секций, с внут-

технологии HY-III

ренней огнеупорной фу-

теровкой. В радиацион-

ной секции установлены

беспламенные горелки

Скруббер колошникового газа

Очистка колошникового газа

Представляет собой

от пыли и излишков водяного

трубу Вентури с каплеот-

пара

делителем

Брикетировочная машина

Брикетирование горячих вос-

Валковые брикет-пресса

становленных окатышей

Охлаждающие конвейера

Охлаждение брикетов до тем-

Вибрационная охлаждаю-

пературы ниже 100 °C

щая ванна, лотковый кон-

вейер с системой струй-

ного охлаждения

Десульфуратор

Очистка газа от соединений

Сосуды с цинковым по-

серы

глотителем

Воздуходувки

Нагнетание воздуха на горе-

лочные устройства, отвод

пара с охлаждающих конвейе-

ров

Дымососы

Транспортирование дымовых

газов в атмосферу

158

Окончание таблицы 2.18

Наименование оборудования

Назначение оборудования

Описание

Котел-утилизатор

Производство пара в техноло-

гии HYL-III

Скруббер Вентури

Очистка газов от пыли

Труба Вентури, каплеот-

делитель

Установка оцементования

Приготовление инертного по-

Состоит из бункера хра-

крытия окатышей

нения материала, рас-

ходного бункера, шнеко-

вого дозатора, питателя,

смесителя, распредели-

теля суспензии

Система уплотнительного и

Генерация инертного уплот-

Представляет собой

продувочного газа

нительного газа

установку сжигания при-

родного газа почти в сте-

хиометрическом соотно-

шении с воздухом. В со-

став установки входит ка-

мера сжигания газа, горе-

лочное устройство, теп-

лообменники, вентиля-

тор, компрессор, каплеот-

делители

2.6 Генерация электрической и тепловой энергии

2.6.1 Общие сведения

Установка металлизации HYL-III снабжена турбогенератором, предназначен-

ным для производства электроэнергии.

В состав турбогенератора входят:

- паровая турбина;

- редуктор;

- генератор переменного тока;

- система охлаждения;

- масляная система;

- дренажная система;

- система защиты;

- система управления.

Для преобразования тепловой энергии в механическую турбина принимает

из паропровода перегретый пар (давление - 6,3 МПа, температура - 485 °C). Пере-

гретый пар проходит через клапан аварийного отключения, затем через регулиро-

вочный клапан высокого давления и далее попадает на три сегмента сопловой ко-

робки с набором реактивных сопел, потом попадает на рабочие колеса и направля-

ющие аппараты, где совершает механическую работу (крутит ротор турбины). Тур-

бина имеет 10 ступеней, где происходит непрерывный процесс выработки пара и

159

преобразования энергии в генераторе. В турбину пар поступает через управляю-

щий клапан, в турбине имеется регулируемый отбор пара. Пар отбирается после 7-

й ступени поворотной диафрагмой. Турбина защищена от обратного потока пара из

линий отбора пара посредством аварийного обратного клапана. Пар проходит че-

рез регулировочный клапан в часть турбины с низким давлением. Далее пар идет к

потребителям коллектора низкого давления пара.

Для предотвращения попадания в турбину влажного пара линия перегретого

пара оснащена дренажами. Фильтры грубой очистки, размещенные в клапанах ава-

рийной остановки, защищают лопатки турбины от повреждения твердыми части-

цами, которые могут попасть вместе с паром. Турбина оборудована несколькими

дренажными отводами для сброса конденсата во время фазы конденсации при

пуске.

Коллекторы пара и турбина оборудованы несколькими дренажными отво-

дами для удаления конденсата во время фазы конденсации при пуске.

Турбина снабжена системами защиты и регулирования рабочих параметров,

установлены регуляторы ограничений. Все необходимые контуры управления ра-

ботают постоянно вместе, как регулятор турбины, через соответствующие логиче-

ские схемы.

2.6.2 Устройство паровой турбины

Турбина - однокорпусная, многоступенчатая осевая турбина, выполненная

по реактивному принципу. Турбина симметрична по горизонтальному соединению.

Фланцы имеют размеры, не препятствующие быстрому пуску турбины. Регулиро-

вочный клапана расположен перед турбиной и соединен с сопловой коробкой, раз-

деленной на три сегмента. Работающий со средой пара клапан аварийного отклю-

чения (стопорный клапан) располагается перед регулировочным клапаном. Сама

турбина установлена на подвесных опорах. Опорный и упорный двойного действия

подшипники выполнены в наклонно-подушечной конструкции и имеют принуди-

тельную смазку, что обеспечивает правильное направление и стабильность ро-

тора. Многоступенчатая конструкция реактивного типа состоит из десяти ступеней.

Вверху по линии имеется однорядное регулировочное колесо для линии НР (высо-

кого давления) с импульсными лопастями и кожухом с подачей проволоки демпфи-

рования.

Перед регулировочным колесом находятся три отдельные группы сопел:

- первая группа, состоящая из 19 сопел, в нижней коробке сопел;

- вторая группа, состоящая из 10 сопел, в нижней коробке сопел;

- третья группа, состоящая из 11 сопел, в верхней коробке сопел.

Часть LP (низкого давления) турбины оборудована роторным пробковым кла-

паном, чтобы поддерживать постоянное давление для отбора. Лопасти ротора

цельнокатаные, из легированной стали, снабжены демпфирующим вибрации кожу-

хом. Пар контактирует со всеми сторонами направляющего держателя лопасти,

обеспечивая таким образом равномерное изменение температуры в роторе и

направляющем держателе лопасти, а также равномерные радиальные зазоры и

минимальную опасность трения. Лабиринты вала имеют заменяемые вставки и от-

ветвления утечек пара.

160

ДОБЫЧА И ОБОГАЩЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД (ИТС 25-2023) - часть 1