Optimierung der Eisenerzaufbereitung für Effiziente Stahlproduktion

Eisenerz ist ein Mineral, das nach Gewinnung und Verarbeitung zur Produktion von Eisen und Stahl verwendet wird. Die Haupterze von Eisen enthalten meist Fe₂O₃ (70 % Eisen, Hämatit) oder Fe₃O₄ (72 % Eisen, Magnetit). Erze sind normalerweise mit unerwünschtem Gangartmaterial assoziiert. Der Gehalt von Eisenerz wird meist durch den Gesamt-Fe-Gehalt im Erz bestimmt. Abbau- oder Minenerze nach trockener oder nasser Klassierung, wenn sie normalerweise mehr als 62 % Fe enthalten, werden als „Naturerz“ oder „Direct Shipping Ore“ (DSO) bezeichnet. Diese Erze können direkt in der Produktion von Eisen und Stahl verwendet werden. Alle anderen Erze benötigen Aufbereitung und bestimmte Verarbeitung, bevor sie in der Produktion von Eisen und Stahl verwendet werden.

Notwendigkeit der Aufbereitung

Niedriggradige Eisenerze können nicht als solche für die Produktion von Eisen und Stahl verwendet werden und müssen aufbereitet werden, um ihren Gangartgehalt zu reduzieren und ihren Fe-Gehalt zu erhöhen. Der Prozess zur Aufwertung des Fe-Gehalts von Eisenerz wird als Eisenerzaufbereitung (IOB) bezeichnet.

Eisenerze aus verschiedenen Quellen haben jedoch ihre eigenen mineralogischen Besonderheiten und erfordern spezifische Aufbereitungs- und metallurgische Behandlungen, um das beste Produkt zu erhalten. Auch für eine effektive Aufbereitungsbehandlung sind effektives Brechen, Mahlen und Sieben des Erzes notwendig, wofür geeignete Brech-, Mahl- und Siebtechnologien eingesetzt werden müssen. Die Wahl der Aufbereitungsbehandlung hängt von der Art der vorhandenen Gangart und ihrer Assoziation mit der Erzstruktur ab. Mehrere Methoden/Techniken wie Waschen, Jiggen, Magnetische Trennung, Schwere Trennung und Flotation etc. werden verwendet, um den Fe-Gehalt des Eisenerzes zu erhöhen und seinen Gangartgehalt zu reduzieren. Diese Techniken werden in verschiedenen Kombinationen für die Aufbereitung von Eisenerzen verwendet. Für die Aufbereitung eines bestimmten Eisenerzes liegt der Schwerpunkt meist auf der Entwicklung eines kosteneffektiven Fließschemas, das die notwendigen Brech-, Mahl-, Sieb- und Aufbereitungstechniken umfasst, die für die Aufwertung des Eisenerzes notwendig sind. Ein typisches Fließschema für eine Eisenerzaufbereitungsanlage ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1 Ein typisches Fließschema einer Eisenerzaufbereitungsanlage

Gängige Methoden/Techniken der Eisenerzverarbeitung

Brechen, Mahlen und Siebtechnik

Der Zweck des Mahlens und Nachmahlens ist es, das Erz auf eine Größe zu reduzieren, die klein genug ist, um die wertvollen Minerale zu befreien und zurückzugewinnen. Die Brech-, Mahl- und Siebsysteme einer IOB-Anlage müssen unter Berücksichtigung der Anforderungen der nachgelagerten Aufbereitungsprozesse ausgelegt werden. Die Brecheinheiten können Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quaternärbrechsysteme umfassen. Backen-, Kreisel-, Kegel- und Walzenbrecher werden für das Erzerzbrechen verwendet. Halbautogenes und autogenes Mahlen wird für das Erzmahlen verwendet. Sowohl Stab- als auch Kugelmühlen werden dafür verwendet. Kapitalinvestitionen und Betriebskosten von Mahlanlagen sind hoch. Daher spielt die Wirtschaftlichkeit eine große Rolle bei der Planung des Brech- und Mahlgrads zur Vorbereitung des Erzes für die Aufbereitung. Andere Faktoren, die bei der Bestimmung des Brech- und Mahlgrads berücksichtigt werden, sind die Wertkonzentration des Erzes, seine Mineralogie, Härte und Feuchtigkeitsgehalt. Geschlossener Mahlkreislauf minimiert das Übermahlen von sehr brüchigem Erz, das normalerweise in den Erzlagerstätten unserer Region vorkommt. Je höher die Umlast, desto geringer ist das Übermahlen der Partikel.

Waschen und Nassschrubben

Dieser Prozess ist primitiv und weit verbreitet in der Verarbeitung von brockigem Eisenerz, um brüchige und weiche lateritische Materialien, Feinmaterialien und limonitische Tonpartikel, die am Erz haften, zu lösen und zu entfernen. Nassschrubben ist auch bei harten und porösen Erzen nützlich, die unvermeidlich Hohlräume/Poren mit tonigem Material gefüllt haben, das substantiell entfernt werden muss.

Schwere Trennung

Diese Technik wird angewendet, wo eisenhaltige Minerale von assoziierten Gangartmaterialien frei sind. Das spezifische Gewicht eisenhaltiger Minerale ist meist höher als das spezifische Gewicht von Gangartmaterialien. Die Wirksamkeit der Schweretrennung hängt weitgehend von ordnungsgemäßem Brechen und Klassieren des Erzes ab, um eine ordnungsgemäße Größenbeschickung der Schwere-Trennungsausrüstung zu gewährleisten und auch die Entfernung von Schlamm aus der Ausrüstung. Eine große Anzahl von Geräten/Prozessen, die nach dem Schwere-Trennungsprinzip funktionieren, sind verfügbar. Einige davon werden unten beschrieben.

• Dichtemedienscheidung – Der Prozess ist auch als Schwermedienscheidung bekannt. Er wird für grobe Erze (Größenbereich 3 mm bis 50 mm) verwendet. Gemahlener Ferrosilizium von -300 Maschengröße wird als Suspension verwendet, um eine Trennichte von 3–3,2 zu erzeugen, die ausreicht, damit Gangartmaterialien schweben und getrennt werden. Das Suspensionsmaterial wird durch Verwendung von Niedrigintensitäts-Magnetabscheidern (LIMS) zurückgewonnen. Die Beschickung für die Dichtemedienscheidung muss hart und kompakt mit nicht-porösem Gangartmaterial sein.
• Schwermedienzyklon – Der Prozess wird für Eisenerzfeinpartikel mit Größenbereich von 0,2 mm bis 6 mm verwendet. Der Zyklonabscheider nutzt Zentrifugal- sowie Gravitationskräfte, um die Trennung zwischen Erz und Gangartmaterial herzustellen. Gemahlener Ferrosilizium von -325 Maschengröße wird als Medium im Zyklon verwendet.
• Jiggen – Jiggen ist eine Schwerkraftkonzentrationstechnik, bei der das Eisenerz in Leichtdichtefraktion, Mitteldichtefraktion und Schwere-Dichtefraktion getrennt wird. Die Größenfraktion des für Jiggen verwendeten Eisenerzes beträgt 0,5 mm bis 30 mm.
• Spiralen – Spiralabscheider sind Fließfilm-Trennvorrichtungen. Der allgemeine Betrieb ist ein kontinuierlicher gravitationsgetriebener laminarer Fluss auf einer geneigten Fläche. Der Trennmechanismus involviert primäre und sekundäre Strömungsmuster. Der primäre Fluss ist im Wesentlichen die Suspension, die unter Schwerkraft den Spiraltrichter hinabfließt. Das sekundäre Strömungsmuster ist radial über den Trichter. Hier bewegen sich die obersten Flüssigkeitsschichten mit höherdichten Partikeln vom Zentrum weg, während die untersten Konzentratschichten mit höherdichten Partikeln zum Zentrum hin wandern. Spiralen erfordern Wasserzugabe an verschiedenen Punkten entlang der Spirale, um das Waschen des Eisenerzes zu unterstützen, d. h. den Transport der leichten Gangart vom dichten Erz weg. Die Menge an Waschwasser und seine Verteilung entlang des Spiraltrichters kann an die Betriebsanforderungen angepasst werden. Punktsteuerung minimiert den Gesamtwasserbedarf, indem Wasser effizient in den fließenden Brei am effektivsten Winkel geleitet wird. Beschickungsgröße ist im Bereich von 0,3 mm bis 1 mm anwendbar. Spiralen werden normalerweise bei einer Breidichte von 25 % bis 30 % Feststoffen betrieben.
• Tische – Tische haben einen weiten Anwendungsbereich in der Schwerkraftbehandlung von Eisenerzen. Tische werden normalerweise in Reinigungs- und Suchkreisläufen verwendet. Beschickungsgröße ist im Bereich von 0,3 mm bis 1 mm anwendbar. Spiralen werden normalerweise bei einer Breidichte von 25 % bis 30 % Feststoffen betrieben.
• Multigravitationskonzentrator – Sie befinden sich in der Entwicklungsphase und sind für die Behandlung von Fein- und Ultrafinpartikeln von Eisenerz konzipiert. Sie sind nützlich bei der Verarbeitung von Wertstoffen aus Schlämmen und Abgängen.
• Zyklone – Zyklone, die für die Konzentration von Eisenerzen verwendet werden, sind von mehreren Typen. Dazu gehören Hydrozyklon, Stutzenzyklon und Schwermedienzyklon. Zyklone sind kosteneffektiv und einfach in ihrer Konstruktion. Die Hauptteile eines Zyklons bestehen aus Zyklondurchmesser, Einlassdüse am Eintrittspunkt in die Beschickungskammer, Wirbelfinder, Zylinderschicht und Kegelschicht. Sie haben eine ordnungsgemäße geometrische Beziehung zwischen Zyklondurchmesser, Einlassfläche, Wirbelfinder, Apex-Öffnung und ausreichender Länge, die Retentionszeit für die ordnungsgemäße Klassierung der Partikel bietet. Wenn die Beschickung in die Kammer eintritt, beginnt eine Rotation der Suspension im Inneren des Zyklons, wodurch Zentrifugalkräfte die Bewegung der Partikel zur Außenwand beschleunigen. Die Partikel wandern in einem Spiralmuster nach unten durch den Zylinderschicht und in den Kegelschicht. An diesem Punkt wandern die kleineren Massenpartikel zum Zentrum und spiralen nach oben und aus durch den Wirbelfinder, entladend durch das Überlaufrohr. Dieses Produkt, das die feineren Partikel und den Großteil des Wassers enthält, wird als Überlauf bezeichnet und sollte am oder nahe dem atmosphärischen Druck entladen werden. Die höheren Massenpartikel bleiben in einem abwärts gerichteten Spiralpfad entlang der Wände des Kegelschichts und verlassen allmählich durch die Apex-Öffnung. Dieses Produkt wird als Unterlauf bezeichnet und sollte ebenfalls am oder nahe dem atmosphärischen Druck entladen werden.

Magnetische Trennung

Magnetische Trenntechnologien werden verwendet, um den Unterschied in den magnetischen Eigenschaften für die Trennung von Eisenerz von nicht-magnetischen assoziierten Gangartmaterialien zu nutzen. Magnetische Trennung kann entweder in trockener oder nasser Umgebung durchgeführt werden, obwohl Nasssysteme häufiger sind.

Magnetische Trennoperationen können auch als niedrig- oder hochintensiv kategorisiert werden. Niedrigintensitätsabscheider verwenden Magnetfelder zwischen 1000 und 3000 Gauss. Niedrigintensitätsverfahren werden normalerweise bei Magnetit-Erz als kostengünstige und effektive Trennungsmethode verwendet. Hochintensitätsabscheider empleieren Felder bis zu 20.000 Gauss. Dieses Verfahren wird verwendet, um schwach magnetische Eisenerze wie Hämatit von nicht-magnetischen oder weniger magnetischen Gangartmaterialien zu trennen. Andere wichtige Faktoren bei der Bestimmung, welcher Typ von Magnetabscheidersystem verwendet wird, sind Partikelgröße und Feststoffgehalt der Erzsuspensionsbeschickung.

Typischerweise umfasst die magnetische Trennung drei Trennstufen: (i) Vorkehrung (Cobbing), (ii) Reinigung/Aufbereitung (Cleaning/Roughing) und (iii) Feinreinigung (Finishing). Jede Stufe kann mehrere Trommeln in Reihe einsetzen, um die Trenneffizienz zu verbessern. Jede aufeinanderfolgende Stufe arbeitet an feineren Partikeln als Ergebnis der Entfernung von übergroßen Partikeln in früheren Trennungen. Cobber arbeiten an größeren Partikeln und weisen einen wesentlichen Prozentsatz der Beschickung als Abgang ab.

Mehrere Arten von magnetischen Trenntechnologien werden verwendet. Diese werden unten beschrieben:

• Nass- und Trocken-Niedrigintensitäts-Magnetische Trennung (LIMS)
• Hochgradienten-Magnetische Trennung (HGMS)
• Nass-Hochintensitäts-Magnetische Trennung (WHIMS)
• Rollenmagnetabscheider für die Verarbeitung schwach magnetischer Erze
• Induktions-Rollen-Magnetische Trennung (IRMS) für die Konzentration trockener Erze

Flotationsprozess

Der Flotationsprozess verwendet eine Technik, bei der Partikel eines Minerals oder einer Gruppe von Mineralien bevorzugt an Luftblasen in Gegenwart eines chemischen Reagenzials haften. Dies wird durch Verwendung chemischer Reagenzien erreicht, die bevorzugt mit dem gewünschten Mineral reagieren. Mehrere Faktoren sind für den Erfolg von Flotationsaktivitäten wichtig. Dazu gehören Gleichmäßigkeit der Partikelgröße, Verwendung von mit dem Mineral kompatiblen Reagenzien und Wasserbedingungen, die nicht mit der Anhaftung der Reagenzien an das Mineral oder die Luftblase interferieren.

Heute wird Flotation hauptsächlich verwendet, um Konzentrate aus magnetischer Trennung aufzuwerten. Flotation als alleinige Aufbereitungsmethode wird selten verwendet.

Chemische Reagenzien sind hauptsächlich drei Hauptgruppen: (i) Sammler/Amine, (ii) Schaumbildner und (iii) Antischaummittel. Reagenzien können in verschiedenen Formen zugesetzt werden, einschließlich fest, nicht mischbare Flüssigemulsion und wässrige Lösung. Die Konzentration der Reagenzien muss während der Konditionierung eng kontrolliert werden, da die Zugabe von mehr Reagenzien als nötig die Reaktion verzögert und die Effizienz verringert. Faktoren, die die Konditionierung beeinflussen, sind gründliches Mischen und Dispergieren der Reagenzien durch den Brei, wiederholter Kontakt zwischen den Reagenzien und allen relevanten Erzpartikeln sowie Zeit für die Entwicklung von Kontakten mit den Reagenzien und den Erzpartikeln, um die gewünschten Reaktionen zu erzeugen.