Обжиг сидеритовых руд

Сидеритовые руды подвергают обжигу перед их металлургической плавкой с целью удаления из них углекислого газа и магнитного обогаще­ния обожженного продукта. Например, так обогащают сидеритовые руды на обжиг на обогатительной фабрике Бакальского рудоуправления. Руду класса 60 - 10 мм обжигают в шахтных печах (рисунок 14) суммарной мощностью 750 тыс. т руды в год при температуре 1070 - 1170 К в течение 7 - 8 ч, в том числе 2 ч руда находится в зоне обжига. Обожженную руду рассеивают на классы 60 - 8 и 8 - 0 мм. Класс 60 - 8 мм подвергают сухой магнитной сепарации, а 8 - 0 мм направляют на агломерацию. Концентрат магнитной сепарации содержит 49 - 50% железа при извлечении его около 75%. Расход природного газа на обжиг - 46 - 49 м³/т руды. Природные сидериты представляют собой комплексное сырье, содержащее не только карбонаты Fе, но и Сa, Мg, Мn. Поэтому процесс его разложения целесообразно рассмотреть подробнее.

Для обжига на воздухе, сопровождающегося выделением. СO₂, важно установить температуру, при которой его давление составит 30 Па, так как ниже этой температуры разложение невозможно, а выше - начинается химическое испарение. Когда 30 Па < < 1·10⁵ Па, СO₂ диффундирует в порах карбоната и происходит химическое испарение. При давлении СO₂ больше 1·10⁵ Па начинается химическое кипение, эта температура соответствует температуре начала разложения карбоната.

1 - опорные балки; 2 - разделительные стенки; 3 - направляющие для
разгрузки; 4 - газоходы; 5 - загрузка руды

Рисунок 14. Шахтная печь для обжига сидеритов

Кривая упругости диссоциации позволяет установить температуру начала разложения при различных давлениях. Упругость диссоциации (константа равновесия) химической реакции, определяют методом расче­та равновесия по стандартным данным (второе приближение), и записы­вают в виде lgK_p = lg = - ΔH₂₉₈ : 2,3·R·T + ΔS₂₉₈ : 2,3·R + ΔC_p; [ln(T : 298) - 1 + 298 : T)] : 2,3 ·R,где ΔH₂₉₈, ΔS₂₉₈, ΔC_p - алгебраическая сумма энтальпий, энтропий, теплоемкостей реагентов в стандартном состоянии.

Бакальские сидеритовые руды в своем составе э качестве основного рудного минерала содержат сидероплезит (Fе_0,72, Mg_0,25, Mn_0,03) СO₃ затраты тепла на диссоциацию этого карбоната и тепловой эффект реак­ции окисления приведены в работе. Для термодинамического ана­лиза необходимо также знать значения энтропий и теплоемкостей в стан­дартных условиях для этой разновидности сидероплезита. Применитель­но к сидероплезитам термодинамический анализ их разложения выполнен Н.В. Ахлюстиной. Вычисление термодинамических характеристик процесса диссоциации, изучаемых сидероплезитом, выполнялось исходя из того, что атомы Fе, Мg, Мn, Сa образуют единую решетку минерала и при разложении она разрушается вся с постепенным выделением газо­образных продуктов. Это подтверждается дериватограммой твердого раствора карбонатов, где на кривой ДТА наблюдается не три пика, а один, что свидетельствует о единстве решетки минерала, а разложение всего минерала с образованием оксидов происходит как единый химический акт, а не ступенчато. Рассчитывают теплоту образования соединений в предположении, что общая решетка минерала образовалась без дополни­тельных затрат тепла.

Разложение карбонатов, входящих в состав сидероплезита, описы­вается уравнениями: FеСO₃ = FеO + СO₂; МgСO₃ = МgO + СO₂; МnСО₃ = МnО + СO₂; СаСO₃ = СаО + СO₂. Одновременно с реакцией разложения происходит окисление: FеО + 1/3СO₂ = 1/3Fе₃O₄ + 1/3СО; МnО + 1/3СO₂ = 1/3Мn₃О₄ + 1/3СО, т.е. газообразными продуктами яв­ляются и СO₂ и СО. Значения теплоемкостей, энтропий и теплоты образо­вания соединений взяты по работе, кроме теплоты образования FеСО₃ и МnСO₃. Затраты тепла на диссоциацию сидерита, с учетом процентного содержания каждого карбоната: , где m, n - коэффициенты в фор­муле сидероплезита: , , - теплоты образо­вания карбонатов Fе, Мg и Мn, Дж/(моль·К). Аналогично вычисляют значения теплоемкости, энтальпии, энтропии температуры начала разложения (ТНР) и теплоты образования (Q) (таблица 9).

Для упрощения принято допущение: в формуле сидеритоплезита учте ны только катионы Fe, Mg и Са, а катионы Мn не учтены, так как коэф фициенты при нем невелики (0,02—0,03).

С учетом теплоты образования приведены значения упругости диссоциации (lg р_{СО2 + СО}) сидеритов и сидероплезитов при температуре, К (таблица 10).

При температурах 550—600 К упругость диссоциации сидероплезитов и сидеритов превышает давление СО₂ в воздухе (Р_CO2 = 30 Па). При этих температурах начинается медленное "химическое испарение" данных образцов, которое лимитируется диффузией выделяющихся газов в воздухе. При температурах 723—773 К для бакальских сидероплезитов и 683-773 К для сидероплезитов и сидеритов других месторождений упругость диссоциации превышает 1 * 10⁵ Па и становится возможным быстрое "химическое кое кипение" карбонатов, которое не тормозится диффузией.

Таблица 9-термодинамические характеристики сидеритотвых руд

* Содержат также Са.

Таблица 10-Упругость диссоциации сидеритов и сидероплезитов