Раздел 6. Перспективные технологии

Раздел 6 Перспективные технологии

В процессе подготовки справочника НДТ составители и члены ТРГ 25 проанализировали целый ряд новых технологических, технических и управленческих решений, которые обсуждаются как в зарубежных странах, так и в России. Это решения, направленные на повышение эффективности производства, сокращение негативного воздействия на окружающую среду, оптимизацию ресурсопотребления. Они еще не получили широкого распространения, и надежными сведениями о внедрении их на двух российских предприятиях составители справочника не располагают.

Далее в тексте эти решения описаны применительно к добыче и обогащению железных руд.

6.1 Перспективные технологии в области добычи железных руд

6.1.1 Беспилотные автосамосвалы

В настоящее время на железорудных предприятиях Западной Австралии действует несколько карьеров с полностью беспилотными большегрузными автосамосвалами. Самосвалы работают в режиме 24/7 ежедневно в течение года, что экономит недропользователю 500 ч работы в год. Грузовики управляются дистанционно из операционного центра в Перте, который находится от Пилбары в 1200 км. Каждый карьерный робот-самосвал весом в 500 т двигается со скоростью 50 км/ч - почти в 2 раза выше, чем у опытных водителей. Точность ориентации роботов - 1-2 см. Отсутствует время на пересменки, обеды. Все это дает повышение производительности, снижение простоев, снижение удельных расходов топлива и снижение удельных выбросов.

Рисунок 6.1 - Схема управления беспилотными автосамосвалами

6.1.2 Беспилотные тяговые агрегаты

Применение беспилотных тяговых агрегатов внутри карьеров и на поверхности. Отсутствует время на пересменки, обеды. Все это дает повышение производительности, снижение простоев, снижение удельных расходов электроэнергии. Повышение надежности работы оборудования за счет исключения нарушений технологической дисциплины, превышений скорости, проездов на запрещающий сигнал светофора и т.д. В Rio Tinto (крупнейшей горнодобывающей компании Австралии) подсчитали, что перевод 40 % железнодорожного транспорта на автоматику позволит уменьшить расходы на 2 долл. на тонне железной руды и увеличить ее добычу на 5 %.

6.1.3 Автоматизированная система управления буровыми работами и зарядными машинами

Автоматизированная система управления буровыми работами и зарядными машинами позволит сократить время наведения станков на скважину, формировать пакет физико-механических характеристик обуриваемого блока, повысить оперативный контроль за техническим состоянием бурового оборудования (см. рисунок 6.2). Полученная с АСУ БР информация позволит в реальном времени корректировать буровые работы на отрабатываемом блоке, а также даст информацию по нижележащему блоку, что позволит существенно повысить качество планирования взрывных работ, снизить расход ВВ и увеличить выход горной массы. Автоматизированное управление зарядными машинами позволит автоматически формировать потребность в зарядке скважины и производстве взрывчатых веществ, сократит перерасход взрывчатых веществ.

Рисунок 6.2 - Схема автоматизированной системы управления буровыми работами

6.1.4 Применение систем высокоточного позиционирования ковша для забойных экскаваторов

Системы высокоточного позиционирования ковша экскаватора позволят в режиме реального времени с сантиметровой точностью позиционировать ковш экскаватора, обеспечивая высокоточную выемку и формирование проектной формы рельефа (отвалов, уступов, дорог), обеспечить отображение электронных проектов рабочих зон на дисплее оператора, отображение профилей фактической и проектной поверхностей, наложенных друг на друга для контроля достижения проектных значений (см. рисунок 6.3). Данное мероприятие позволит сократить потери и засорение руды, повысить точность выполнения плановых показателей качества, обеспечить необходимый уровень шихтовки, оптимизировать определение составов породы, снизить необходимость повторного перемещения породы, количество неправильно назначаемых рейсов и объем выполняемых вручную изысканий, снизить потребление электроэнергии при производстве добычных работ.

Рисунок 6.3 - Кабина экскаватора, оснащенная системой позиционирования ковша

6.1.5 Применение беспилотных летательных аппаратов для производства маркшейдерских работ

Применение беспилотных летательных аппаратов для производства маркшейдерских работ (см. рисунок 6.4) позволит оперативно решать задачи картирования, оценки объемов горных выработок и отвалов при отработке месторождения открытым способом, повысить контроль за технологическими процессами в реальном времени, повысить качество планирования горных работ, ускорить процесс закрытия периода и подготовки отчетов для контролирующих органов. Данная технология позволит сократить ресурсы для производства маркшейдерских работ.

Рисунок 6.4 - Беспилотный летательный аппарат

6.1.6 Автоматизация процессов добычных работ в подземных условиях

Шахтная автоматизация обеспечит рациональную загрузку парка транспортных средств погрузочно-доставочных операций, оптимизацию параметров откатки, автоматизацию процессов бурения одной или нескольких скважин, вееров или забоя выработки, лучшие условия работы и безопасность, повышение производительности (см. рисунок 6.5).

Безопасность обеспечивается за счет разделения производственной зоны и системы управления. Один оператор может управлять (из безопасного места, в том числе находясь на поверхности) работой многих автоматизированных машин. Производственный цикл погрузки полуавтоматический. Откатка и разгрузка производятся под управлением навигационной системы, а наполнение ковша управляется дистанционно. Машины оборудованы бортовой видеосистемой, мобильным терминалом для беспроводной связи и навигационной системой. Процесс включает в себя мониторинг производства и состояния парка в реальном режиме времени, а также контроль движения машин.

Данная технология позволит повысить производительность работ, сократить простои и пересменки оборудования, снизить удельные потребления электроэнергии и ресурсов.

Рисунок 6.5 - Удаленное управление погрузочной машиной

6.1.7 Высокопроизводительная проходка горных выработок

Перспективная технология состоит в использовании проходческих комплексов для быстрой, безопасной и экономически эффективной проходки выработок различных профилей (в том числе малого сечения) по породам и рудам высокой крепости без использования буровзрывных работ.

В настоящее время проводятся полевые испытания на медных и платиновых месторождениях ЮАР.

6.1.8 Использование сплавов и износостойких материалов

Применение легких сплавов и специальных износостойких материалов для изготовления подъемных сосудов и их футеровки обеспечивает существенное снижение веса клетей и скипов, увеличение полезной емкости сосудов и веса поднимаемой горной массы без изменения концевой нагрузки, увеличение производительности, позволяет сократить расход электроэнергии и повысить производительность.

6.1.9 Автоматизированный аппаратный контроль состояния ствола, подъемных сосудов, канатов

Система непрерывного аппаратурного контроля позволяет в режиме реального времени осуществлять мониторинг состояния канатов, подъемных сосудов и армировки ствола (см. рисунок 6.6). Использование системы повышает достоверность и оперативность оценки динамических и статических параметров системы "подъемный сосуд - жесткая армировка", канатов шахтных подъемных установок. Контроль осуществляется без нарушения режимов работы ШПУ, существенно уменьшается время проведения визуального контроля, а также исключается влияние человеческого фактора на оценку фактического состояния оборудования, режимов работы и конструкций. Система автоматизированного мониторинга канатов позволяет повысить эффективность эксплуатации подъемных установок и принимать решения о проведении ремонтных работ по необходимости, позволяет сократить расход электроэнергии и повысить производительность.

Рисунок 6.6 - Система автоматизированного мониторинга каната

6.1.10 Компенсация реактивной мощности

Напряжение контактной сети на железнодорожных станциях зачастую является "узким местом" при перевозке горной массы. Подключение специальных устройств к электрической сети индуктивных нагрузок позволяет генерировать необходимую реактивную мощность. Это наиболее экономичный, простой и безопасный способ обеспечения требуемой реактивной мощности.

Установка высоковольтных статических генераторов реактивной мощности позволяет обеспечить необходимой мощностью большее количество тяговых агрегатов от каждой секции шин распределительных подстанций за счет поддержания напряжения на заданном уровне. Повышение коэффициента мощности обеспечивает:

- снижение или полное отсутствие платы за реактивную мощность;

- увеличение пропускной способности линий электропередач;

- разгрузку распределительных трансформаторов;

- снижение потерь активной мощности до нормального уровня;

- повышение напряжения у потребителей;

- увеличение пропускной способности железнодорожных станций и, как следствие, повышение объемов перевозки горной массы.

6.1.11 Интеллектуальный карьер

Под проектом "Интеллектуальный карьер" подразумевается внедрение автоматизированной системы диспетчеризации (АСУ ГТК) "Карьер". Это система управления горнотранспортными комплексами на основе технологий спутниковой навигации и роботизированной системы управления технологическими процессами открытых горных работ. Создание АСУ ГТК "Карьер" на горнодобывающих предприятиях позволяет автоматизировать процессы перевозок, выемки и буровзрывных работ, а в дальнейшем осуществлять горные работы без непосредственного участия человека. Это существенно повышает эффективность открытых горных работ, позволяет осуществлять эффективную и безопасную добычу в труднодоступных и тяжелых по климатическим условиям регионах, повышает производственную безопасность на объектах, устраняет проблему нехватки квалифицированного персонала. Использование АСУ ГТК "Карьер" переводит добычу полезных ископаемых открытым способом на современный уровень автоматизации.

6.1.12 Цифровизация управления процессами железнодорожной перевозки горной массы

В настоящее время существует значительный потенциал оптимизации процесса управления железнодорожными перевозками горной массы, связанный с полностью ручной работой диспетчеров, а также большим количеством внеплановых простоев на линии из-за времени подготовки диспетчерами маршрутов. При этом существующее состояние данных зачастую не позволяет автоматизировать движение - основными проблемами являются большая погрешность GPS датчиков на тяговых агрегатах, отсутствие геолокации хозяйственной техники и графа ж/д сети.

Создание динамической модели оптимизации диспетчеризации, подсказывающей диспетчеру оптимальные решения в онлайн-режиме, позволит сократить общее время движения тяговых агрегатов на 2 % за счет снижения времени простоев. Движение поездов в реальном времени будет осуществляться на основе данных о геолокации и текущем состоянии составов.

6.2 Перспективные технологии в области обогащения железных руд

6.2.1 Обогащение слабомагнитных руд

Перспективные решения в области обогащения слабомагнитных руд включают:

- применение комбинированных гравитационно-магнитных систем; к новым методикам этого типа можно отнести магнитогидродинамическую и магнитогидростатическую сепарацию;

- применение индукционно-роликовых высокоинтенсивных магнитных сепараторов;

- применение сепараторов на основе сверхпроводящих проводников и постоянных магнитов на базе сплава неодим-железо-бор;

- создание трехпродуктовых сепараторов для сухой и мокрой магнитной сепарации с изменяющейся напряженностью магнитного поля по направлению разделения материала;

- создание новых керамических магнитов, обеспечивающих напряженность магнитного поля от 400 до 255 Э.

6.2.2 Измельчение магнетитовых кварцитов

Перспективные решения в области измельчения магнетитовых кварцитов включают:

- создание нового дробильного оборудования, обеспечивающего дробление руды до крупности 12 ^-0 в открытом цикле и 6 ^-0 мм в замкнутом цикле;

- применение схемы одностадиального самоизмельчения в удлиненных мельницах с двойной и тройной классификацией и доводочными операциями;

- своевременный вывод готового класса крупности из процесса измельчения руды во избежание переизмельчения минерала;

- применение роллер-прессов для дробления железных руд, что позволит увеличить производительность схем самоизмельчения, улучшить качество производимого концентрата при использовании технологии шарового измельчения, снизить удельное потребление электроэнергии при измельчении (см. рисунок 6.7).

Рисунок 6.7 - Пример размещения роллер-пресса в технологии самоизмельчения

6.2.3 Автоматизация технологического процесса обогащения

Перспективные решения в области автоматизации технологического процесса обогащения включают:

1. Применение приборов контроля содержания железа в потоке измельченного материала.

2. Применение плотномеров в системе регулирования добавочной воды для обеспечения контроля за плотностными режимами и повышения качества производимого концентрата.

3. Применение анализаторов железа магнитного в хвостах для сокращения времени поиска утечек концентрата и сокращения потерь.

4. Внедрение автоматических и интеллектуальных систем управления технологическим процессом. Внедрение автоматизированной системы аналитического контроля на базе экспресс-анализатора позволяет измерять содержания железа общего, диоксида кремния и серы в исходном и конечном продуктах. Установка поточных гранулометров позволяет контролировать класс крупности с автоматическими пробоотборниками и линиями доставки проб к анализатору. Возможности автоматизированной системы аналитического контроля позволяют проводить определение железа общего, диоксида кремния и серы в исходном и конечном продуктах с частотой 2 раза в час. Снижение времени реагирования на стабилизацию технологического процесса позволяет повысить качественные характеристики продукции.

6.2.4 Вовлечение в переработку окисленных железистых кварцитов

Перспективные решения в области вовлечения в переработку окисленных железистых кварцитов включают:

1. Применение магнитно-флотационных методов обогащения - флотационной доводки концентрата после магнитной сепарации.

2. Применение флотации обесшламленной руды с использованием катионных реагентов аминного состава.

3. Применение двухстадиальной флотации (см. рисунок 6.8). Железорудный материал, измельченный до крупности 85 % кл. менее 50 мкм, поступает на 1 стадию флотации раскрытых зерен, далее камерный продукт и хвосты поступают на вторую стадию измельчения до крупности 95 % класса менее 50 мкм, проведение второй стадии флотации с выводом пенного продукта в отвал. Концентрат нерудных минералов с первой стадии флотации после перечистки выводится в отвальные хвосты при выходе 45-50 %.

Рисунок 6.8 - Схема двухстадиального флотационного обогащения

6.2.5 Новые технологии складирования хвостов

К перспективным способам складирования хвостов следует отнести сгущение пульпы в сгустителях высокой производительности SUPAFLO. Успешная работа высокопроизводительных сгустителей обычно обеспечивается использованием флокулянтов высокой молекулярной массы полиэлектролитного типа. Данные сгустители отличаются не только высокой производительностью, но и высокой плотностью сгущенного продукта - до 75 % твердого, очень чистым сливом, возможностью автоматического регулирования и контроля процесса сгущения.

К новым технологиям складирования хвостов можно отнести пастовые сгустители (см. рисунок 6.9), которые обеспечивают отсутствие воды на поверхности хвостохранилища, снижение стоимости ограждающих дамб, снижение пылеобразования (см. рисунок 6.10), быструю рекультивацию.

6.3 Перспективные технологии в области окомкования

6.3.1 Совершенствование тепловых схем существующих обжиговых машин

1. Применение конструкции переточного коллектора с переменным сечением.

2. Применение выносных охладителей окатышей.

3. Применение горелочных устройств с низким выходом оксидов азота.

4. Перенаправление газовоздушных потоков с целью повышения коэффициента теплового использования обжиговой машины.

5. Внедрение систем автоматического управления с оптимизацией режима обжига на основе прогнозных расчетов;

6. Применение бетонной футеровки элементов обжиговой машины (переточного коллектора, форкамер) для повышения её ремонтопригодности и снижения времени проведения ремонтов.

7. Применение электрофильтров взамен установок мокрой и сухой газоочистки для снижения выбросов пыли и снижения сопротивления на участках газоходов.

Рисунок 6.9 - Тепловая схема модернизации обжиговой машины N 4 ОК-306 АО "Лебединский ГОК"

8. Применение биомассы (лузги подсолнечника) в качестве топлива. Применение биомассы позволяет снизить расход природного газа, а также снизить выбросы парниковых газов, т.к. лузга подсолнечника имеет практически нулевой "углеродный след". Одна тонна подсолнечной лузги замещает 428 м ³ природного газа и снижает выбросы углекислого газа свыше 800 кг.

9. Применение сухих холодильников обжиговых машин. Применение данного типа холодильников на обжиговых машинах позволяет снизить расход технологической воды, а также расходы на ремонт холодильников, которые, как правило, выходят из строя по причине запрессовки каналов циркуляции воды.

6.3.2 Совершенствование состава шихты для производства окатышей

1. Подбор новых связующих и флюсующих материалов с целью улучшения металлургических свойств окатышей. В настоящее время доменщиками Западной Европы предъявляются высокие требования к металлургическим свойствам окатышей, в частности, к индексу низкотемпературного разрушения в процессе восстановления (LTD). Для повышения данного показателя проводится ряд исследований по применению различных шихтовых добавок, в частности магний и алюмосодержащих, позволяющих повысить металлургические свойства окатышей.

2. Применение полимерных материалов в качестве связующего компонента. В процессе окомкования применяются связующие и флюсоупрочняющие добавки (бентонит, известняк, мел, боксит, доломит, оливин), которые приводят к приросту массовой доли диоксида кремния на стадии окомкования 0,3-0,6 %. Для снижения прироста пустой породы можно использовать альтернативные связующие добавки, главным образом, органические. Применение органических добавок позволяет снизить расход бентонита до 50 %.

3. Снижение примесей с целью производства высококачественных окатышей под металлизацию (DR-grade окатышей).

4. Повышение основности доменных окатышей. Производство доменных окатышей с высокой основностью (0,9-1,1) позволяет получить экономическую выгоду для последующих переделов за счет экономии известняка в агломерационном процессе, повышении производительности агломерационных машин и улучшению технико-экономических показателей доменной плавки.

6.3.3 Совершенствование процессов сырого окомкования

1. Применение высокоинтенсивных смесителей с целью улучшения однородности шихты и снижению расхода шихтовых добавок.

2. Использование трехдечных роликовых укладчиков и лотков специальной формы для бережной укладки сырых окатышей на обжиговые тележки.

Рисунок 6.10 - Схема трехдечного роликового укладчика с лотком специальной формы

3. Сегрегация сырых окатышей в зависимости от размеров при укладке на обжиговые тележки, с целью улучшения газопроницаемости слоя;

4. Магнитно-импульсная обработка бентонита для снижения его расхода и повышения качественных характеристик сырых окатышей;

5. Применение мобильных влагомеров для контроля влаги поступающей на сырое окомкование шихты и снижения времени реакции технологического персонала на принятие корректирующих действий по стабилизации процессов фильтрации и окомкования.

6.4 Перспективные технологии в области прямого восстановления железа

6.4.1 Применение zero-процесса прямого восстановления железа

Zero-процесс - технология восстановления оксидов железа без реформера, с использованием кислородной конверсии природного газа непосредственно в шахтной печи металлизации.

Рисунок 6.11 - Пример технологической схемы Zero-процесса прямого восстановления железа

Внутрипечная конверсия позволяет получить металлизованный продукт с высоким содержанием углерода. Использование безреформерных технологий дает возможность снизить капитальные затраты и эксплуатационные расходы.

Рисунок 6.12 - Безреформерная установка ПВЖ

6.4.2 Применение одностадийных технологий металлизации

Технологии одностадийной металлизации железорудных концентратов дают возможность производить прямовосстановленное железо, минуя стадию окомкования. Разработаны процессы прямого восстановления железорудной мелочи с использованием водорода на установках с псевдосжиженном слоем. Водород получают из природного газа или любого другого источника. На стадии восстановления могут использоваться как реакторы с циркулирующим кипящем слоем, так и реакторы с барботирующем слоем. Железорудную мелочь перед подачей на стадию восстановления нагревают в подогревателе. Благодаря отсутствию в технологической цепочке "концентрат - прямовосстановленное железо" процессов окомкования и упрочняющего обжига достигается экономия энергоресурсов и сокращаются капитальные вложения. Полученный продукт представляет собой высокометаллизированный порошок, который можно либо подвергать горячему брикетирования для получения ПВЖ, либо непосредственно загружать в горячем состоянии в электродуговую печь для производства стали.

Рисунок 6.13 - Блок-схема процесса одностадийной металлизации (пример)

6.4.3 Использование технологии регулирования содержания углерода в металлизованном продукте

Продукция ПВЖ должна отвечать потребностям рынка в широком диапазоне содержания углерода (от 0,5 до 4,5 %). В целях регулирования углерода в ПВЖ в переходную зону шахтной печи подаётся поток природного газа. Реакции, образующие углерод, являются эндотермическими и охлаждают металлизованный продукт.

3Fe + CH ₄ Fe ₃C + 2H ₂ (эндотермическая реакция).

Это нормально для установок, производящих холодное ПВЖ, но не применимо для установок по производству горячего ПВЖ или ГБЖ. Для поддержания высокой температуры в переходную зону вместе с природным газом предлагается подавать поток газа, богатого СО. Оксид углерода вступает в контакт со слоем ПВЖ с выделением избыточного тепла.

3Fe + 2CO Fe ₃C + CO ₂ (экзотермическая реакция).

При таких условиях прямовосстановленное железо насыщается углеродом без потери температуры.

Получение газа, насыщенного оксидом углерода, может происходить с помощью разделения реформированного газа на молекулярных ситах. Эта технология использует перепад давления и избирательно позволяет просачиваться через мембрану некоторым компонентам газа, поступающим в потоке, разделяя поток сырья на два. В данном случае речь о потоке богатом СО и потоке, обогащенном H ₂. Поток газа СО направляется в переходную зону для поддержания теплового баланса. Поток, обогащенный Н ₂, выходящий из мембранной установки, поступает на рециркуляцию на нагнетание компрессоров технологического газа.

6.4.4 Переход установок металлизации на работу с использованием водорода

В целях снижения выбросов парниковых газов в металлургии рассматривается возможность перевода установок металлизации на работу на водороде.

Принципиальным отличием технологической схемы работы установки на водороде будут отсутствие реформера и наличие подогревателя технологического газа.

Рисунок 6.14 - Схема производства ПВЖ с использованием водорода

Водород может использоваться как восстановительный газ, так и источник энергии.

Внутри шахтной печи будут протекать следующие восстановительные реакции:

3Fe ₂O ₃ + H ₂ 2Fe ₃O ₄ + H ₂O (экзотермическая реакция)

Fe ₃O ₄ + H ₂ 3FeO + H ₂O (экзотермическая реакция)

FeO + H ₂ Fe + H ₂O (эндотермическая реакция).

На сегодняшний день применение водородной технологии на установках металлизации сдерживается отсутствием стабильного и недорогого источника водорода.

Однако в данном направлении ведется активная работа, и, возможно, уже в скором будущем проблема обеспечения водорода будет решена.

6.4.5 Применение азота высокой чистоты с целью сохранения качества металлизованной продукции

Горячее ПВЖ, которое выходит из печи металлизации, имеет высокую реакционную способность. Поэтому его выгрузка происходит в инертной среде уплотнительного газа. Однако из-за наличия небольшого количества кислорода в уплотнительном газе все равно происходит некоторое вторичное окисление ПВЖ. С целью сохранения качества металлизованной продукции предполагается вместо уплотнительного газа использовать азот.

Благодаря замещению сухого уплотнительного газа (например, в уплотнении нижней части печи, питающих труб, системы рециркуляции горячей мелочи) азотом высокой чистоты могут быть достигнуты следующие преимущества:

- небольшое увеличение содержания углерода в ПВЖ;

- небольшое увеличение металлизации ПВЖ или производительности установки;

- более чем на 50 % снижение выбросов СО.

6.4.6 Внедрение системы рециркуляции горячей мелочи ГБЖ

При производстве горячебрикетированного железа образуется до 5 % мелочи размером частиц менее 6,3 %. Данный продукт имеют более низкую ценность, а также обладает высокой реакционной способностью. В целях снижения содержания мелочи предлагается использовать системы рециркуляции горячей мелочи. Система рециркуляции горячей мелочи - это система, которая напрямую рециркулирует мелочь ГБЖ, отсеянную после брикетировочных прессов и сепараторов обратно на брикетировочные прессы. Такие системы успешно применяются на установках металлизации в США.

Основными преимуществами применения системы рециркуляции горячей мелочи являются:

- улучшение качества ГБЖ, поскольку дополнительное количество мелочи при брикетировании повышает прочность брикетов;

- снижение количества мелочи ГБЖ в готовом продукте до 1,5 %.

Рисунок 6.15 - Принципиальная схема работы системы рециркуляции горячей мелочи

Некоторые решения уже рассматриваются российскими компаниями, разрабатывающими и реализующими программы модернизации. Можно ожидать, что часть из них войдет в категорию наилучших доступных технологий при актуализации настоящего справочника НДТ.