§ 4. Окускование железных руд и концентратов

В результате обогащения получают мелкий желез­ный концентрат, который не может использоваться в доменной печи. Мелкий порошок должен быть превращен в кусковой железорудный материал. Наиболее распро­страненным процессом окускования железных руд яв­ляется агломерация.

Агломерация железных руд

—^Агломерацией называется процесс окускования руд­ной мелочи концентратов и колошниковой пыли путем спекания. Целью агломерации является не только окус­кование руды, но и введение флюса, удаление серы и мышьяка для улучшения металлургических свойств. сырья. Наиболее производительным методом агломера­ции является спекание с просасыванием воздуха. Сущ­ность процесса агломерации заключается в следующем. Измельченные рудный концентрат или богатую желез – ную руду тщательно смешивают с колошниковой пылью, мелким коксиком мм) и известняком, увлажняют и загружают в спекательный аппарат слоем 200—350 мм. Затем при помощи интенсивного источника поджигают топливо, находящееся в слое шихты. Через слой шихты эксгаустером, расположенным под агломерационным устройством, просасывается воздух. Горение, начавшись в верхнем слое шихты, постепенно распространяется на всю толщину и заканчивается у колосниковой решетки аппарата. При сгорании топлива температура достигает 1400°С; этого достаточно для частичного сплавления ку­сочков шихты и спекания их между собой. После окон­чания процесса горения весь слой шихты представляет собой пористый, ноздреватый кусковой продукт. Для со­хранения колосниковой решетки и избежания потерь на решетку укладывают слой возврата агломерата («пос­тель») крупностью ~25 мм.

Для процесса спекания (агломерации) характерно следующее: 1)топливо сгорает без пламени; 2) воздух, поступающий для горения, проходит через слой раска­ленного агломерата и, охлаждая его, нагревается до температуры, близкой к температуре агломерата; 3) теп­ло от газов к шихте передается благодаря развитой по­верхности контакта.

Процессы спекания можно разделить на несколько стадий:

1. Подготовительная. После воспламенения топлива на поверхности слоя шихты горячие газы проходят через холодный слой шихты вниз и отдают ей свое тепло. Испа­ряющаяся из верхних слоев влага конденсируется в хо­лодных нижних слоях. По мере опускания вниз зоны спекания количество влаги в нижних слоях шихты уве­личивается. Верхние слои все более подсушиваются, на­греваются газами и теплом, поступающим от приближа­ющейся зоны спекания, до температуры воспламенения топлива. Начинается вторая стадия агломерации.

2. Стадия сгорания. Топливо воспламеняется, частич­но восстанавливаются оксиды железа, образуются жид­кие фазы, оплавляющие отдельные твердые частички же­лезной руды. Сгорание топлива в слое шихты существен­но отличается от горения угля или кокса в топке. Если в обычной топке углерод полностью сгорает до СОг, то на ленте агломерационной машины появляются значитель­ные количества СО.

33

3. Стадия охлаждения. Топливо в слое сгорело, куски руды сварились, спеклись при помощи легкоплавкой

3—398 жидкой фазы. Спекшийся материал охлаждается холод­ным воздухом, поступающим сверху. При агломерации протекают следующие химические процессы:

1. FeaO3 превращается в магнитный оксид Fe3O4 по реакции 3F203+C0 = 2Fe304+C02; 6Fe203 = 4Fe304 + O2. В свою очередь, магнитный оксид железа может превра­щаться в FeO: Fe304+C0 = 3Fe0+C02.

При высокой температуре происходит взаимодейст­вие магнитного оксида железа с кремнеземом по реак­ции: 2Fe304+3Si02+2C = 3 (2FeO • SiO2) + 2С0.

Образующийся фаялит 2FeO-SiO2 имеет температу­ру плавления 1265°С. При добавке известняка образу­ются железо-кальциевые оливины (CaO).T-FeO2-^-SiO2 с температурой плавления 11300C и другие легкоплавкие образования, которые сваривают более тугоплавкие твер­дые частицы между собой. Около 95 % серы, содержа­щейся в исходных материалах, удаляется в результате реакций диссоциации сульфидов и сульфатов: 2FeSr->- ->2FeS+S2; 2FeS+3,502=Fe203+2S02; 3FeS+502= = Fe304+3 SO2. Успешному удалению серы способству­ют: хорошая газопроницаемость шихты, пониженный рас­ход топлива, более тонкий слой спекаемой шихты, доста­точное измельчение руд, повышение содержания железа и снижение количества шлакообразующих в исходной ру­де. Фосфор при агломерации не удаляется. Мышьяк уда­ляется на 20 %.

Основными минералами, входящими в состав агло­мерата, являются магнетит Fe3O4, гематит F2O3, оксид железа FeO и металлическое железо, образование кото­рого возможно при большом избытке топлива в шихте, алюмосиликаты, силикаты, фаялит.

Подготовка шихты для агломерации

Основная задача при подготовке шихты заключается в выборе оптимальных значений крупности материалов и степени увлажнения, необходимых для создания хо­рошей газопроницаемости шихты. Это обеспечивает про­изводство пористого и прочного агломерата. При плохой газопроницаемости количество воздуха, поступающего в зону сгорания, становится недостаточным, начавшееся горение идет вяло и даже может совсем прекратиться. Выделяющегося тепла будет недостаточно для образо­вания жидкой фазы и агломерат не образуется.

Большое количество мелкой фракции уменьшает про­ходы для газов; чем больше крупных кусков, тем прохо­ды между зернами становятся шире и газопроницаемость шихты улучшается. На газопроницаемость влияет и ко­личество влаги. При увлажнении образуются комочки шихты. Чем больше влаги, тем больше комочков. Но увеличение влажности выше критического предела вы­зывает разрушение образовавшихся комочков, снижение газопроницаемости. Количество добавляемой влаги за­висит от физических свойств шихты. Для плотных руд влаги требуется меньше, для мягких руд — больше; для мелкой руды влаги добавляют больше, для более круп­ной—меньше. Для магнетитовых и мартито-гематитовых руд оптимальное количество влаги составляет 9 %, для бурых железняков 28 %. Крупность шихты может изме­няться от 0,1 до 10—12 мм.

Шихта для агломерации имеет следующий примерный состав, %: 40—50 % руды (концентрата) фракции (0— 8 мм); 15—20% известняка (0—2 мм); 20—30 % воз­врата агломерата (0—30 мм); 4—6 % коксика (0,1—3,0 мм); 6—9 % воды.

Оптимальное содержание топлива в шихте определя­ется качеством рудного сырья (для магнетито-гематито – вых руд 5—6%, для бурых железняков 9—10%). При недостатке топлива агломерат содержит небольшое ко­личество FeO — такой агломерат хорошо восстанавлива­ется, но механически непрочен. При высоком расходе топлива и при большом количестве кремнезема в шихте получается оплавленный агломерат с высоким содержа­нием FeO. Такой агломерат прочный, но хуже восстано­вим.

Устройство агломерационных машин

3*

35

Спекание агломерата производится на ленточных ма­шинах. Схема машины представлена на рис. 12. Основ­ная часть машины — бесконечная лента, составленная из тележек-паллет. На машине АКМ-312 установлено 130 тележек. Паллета — это ящик на роликах с двумя бортами по краям и дном в виде колосниковой решетки. Паллеты движутся по рельсам. Движение паллет проис­ходит при помощи пары ведущих зубчатых колес, кото­рые захватывают своими зубьями паллету снизу, вытал­кивают ее наверх и толкают до тех пор, пока зубья ко­лес остаются сцепленными с роликами паллеты. При этом каждая предыдущая паллета толкает последующую. Скорость движения паллет составляет 3,2—8,0 м/мин. Движение зубчатых колес создает нажим одной паллеты на другую, что устраняет возникновение зазора между паллетами. В разгрузочной части машины ролики палле­ты переходят на нижний рельсовый путь и тележка ка­тится к зубчатым колесам под действием собственного веса под уклон.

Под верхним рельсовым путем машины расположены вакуум-камеры, связанные с эксгаустером, создающим

Рнс. 12. Схема агломерационной машины:

1 — барабанный питатель шихты; 2 — зажигательный гори; 3 — паллеты;: 4 — вакуум-камеры

Разрежение 16 кПа. Уплотнение между паллетой и коро­бом создается с помощью полоза паллеты, расположен­ным с внутренней стороны по отношению к роликам, ко­торый скользит по пластине гидравлического уплотнения вакуум-камеры, прижимаемой к полозу резинотканевым шлангом, наполненным водой под давлением и находя­щимся внутри пластины. Применяют также пружинные уплотнения. Сверху над лентой расположены два бунке­ра питателя: первый — для загрузки постели из возвра­та агломерата и второй—по ходу ленты основной шихто­вой бункер. Рядом располагается зажигательный горв для поджигания шихты. В кожухе горна имеется не­сколько газовых горелок по всей ширине паллеты.

Агломерационные машины имеют площадь спекания до 800 м2 с шириной паллет до 8 м. Длина машины AKM – 800 достигает 102 м при скорости движения до 2—12 м/мин. Производительность таких машин достигает 30000 т агломерата в сутки. Эксгаустеры для откачки воздуха, обслуживающие машины, имеют производитель­ность до 9000 м3/мин при разрежении 7,8—9,8 кПа. Аг­ломерационная фабрика представляет собой сложное сооружение, включающее систему подачи руды и кокса, помольное, сортировочное, смесительное отделения. Все работы на фабрике механизированы. Грузопотоки мате­риалов следуют по транспортерам (рис. 13). Железная руда, концентрат и возврат крупностью не более 8—10 мм поступают в шихтовые бункера смесительного отде­ления аглофабрики. Коксик, известняк предварительно дробят до 0—3 мм. Затем при помощи дозаторов опреде-

Концентрат Коксовая КоксОвая мелочьИзвестняк Пелочь 0-3нн ¦ ‘ N ¦

Pyda 0-Ю tin

Известняк OJhh

Ywy%

Возврат 0-70 нн

Рис. 13. Схема технологического процесса аглофабрики:

Ашнерат — Юмм

ВЗоненный цех

ЩМление\ \Дрдбление\

/ — шихтовые буикера; 2— транспортер; 3— барабанный смеситель; 4 — агломашина; 5 — барабаииый окомкователь; 6—эксгаустер; 7 — Зажигательный гори; 8 — слой спекаемой шихты; 9 — грохот

Ленные порции составляющих шихты поступают на тран­спортер и далее загружаются в барабанный смеситель, в котором шихта увлажняется и перемешивается. Затем шихта поступает в барабанный окомкователь, в котором она приобретает зернистую структуру. После окомкова – ния шихта подается в бункера агломерационной маши­ны, откуда она равномерным слоем ложится на паллеты. Предварительно на паллеты укладывают шихту из воз­врата агломерата, что называется постелью. В тот мо­мент, когда паллета продвигается под зажигательным горном, поджигается шихта, и в то же время паллета оказывается над вакуум-камерой. Отходящие газы очи – щак^т от пыли до 0,15 г/м3. После того как агломерат готов, он некоторое время движется на паллетах машины и через него просасывается воздух, ускоряя его охлаж­дение. В момент, когда зона горения достигает слоя по­стели, паллета выходит в закругление разгрузочной части ленты и опрокидывается.

Пирог готового агломерата выгружается на стацио­нарный колосниковый грохот, где он разделяется на фракции. Фракции с размером более 10 мм направляют в доменный цех, более мелкие возвращаются для агло­мерации. Для получения однородного агломерата по всей высоте слоя, уложенного на решетку паллеты, в нижний слой шихты вводят меньшее количество коксика. Для повышения прочности агломерата применяют нагретый воздух. На ряде установок агломерат охлаждают в спе­циальных круглых (кольцевых) или линейных (ленточ­ных) охладителях.

Виды агломерата

В зависимости от назначения различают несколько видов агломерата. Марганцовистый получают с добавка­ми марганцевой руды. Применение такого агломерата сокращает расход марганцевой руды в доменной печи благодаря уменьшению ее выноса из печи, повышается степень восстановления марганца, улучшаются условия спекания. Марганцевый агломерат применяют при про­изводстве чугуна с повышенным содержанием марганца.

Офлюсованный агломерат (основной вид агломерата) получают в результате добавки к шихте для агломера­ции известняка для полного офлюсования содержащейся в агломерате кремнекислоты. Применение офлюсован­ного агломерата дает большой эффект. Во-первых, в до­менной печи исключается процесс разложения известня­ка, сокращается расход топлива и тепла на разложение CaCO3, а также на реакцию восстановления CO2. Во-вто­рых, улучшается восстановимость агломерата, так как известь образует с кремнеземом силикаты, освобождая оксиды железа из химических соединений. В-третьих, уменьшается объем материалов, загружаемых в домен­ную печь-. В-четвертых, улучшаются условия шлакообра­зования в доменной печи благодаря равномерному рас­пределению шлакообразующих в кусках агломерата, что способствует более ровному сходу материалов.

Добавка в агломерационную шихту известняка улуч­шает спекание материала, так как выделяющаяся при разложении известняка CO2 разрыхляет слой шихты и улучшает газопроницаемость. Это особенно важно при спекании мелких концентратов.

При переходе с обычного агломерата на офлюсован­ный расход известняка уменьшился с 322 до 70 кг, рас­ход кокса на 11 %, а производительность печи возросла на 12 %. При полной замене руды в доменной печи на офлюсованный агломерат загрузка доменной печи мо­жет быть ограничена только двумя материалами: коксом и агломератом. В настоящее время в СССР применяют только офлюсованный агломерат.

Качество агломерата

Агломерат должен быть прочным, пористым, хорошо восстановимым. О прочности агломерата судят по испы­танию на прочность, которое проводится в глухом сталь­ном барабане. В барабан загружают 20 кг агломерата и вращают в течение определенного промежутка времени. По количеству образовавшейся мелочи судят о прочно­сти агломерата (мелочи в кусках 0—25 мм не должно быть больше 25 %). По содержанию FeO в агломерате судят о его пористости и восстановимости. Так, при спе­кании криворожских руд содержание FeO должно со­ставлять 18—24 %• При более высоком содержании FeO восстановимость агломерата снизится.

Прочность и восстановимость агломерата зависят от его структуры. Формирование структуры начинается в зоне подогрева шихты. По мере повышения температу­ры в первую очередь расплавляются вещества, образо­вавшиеся в зоне подогрева. Образовавшаяся жидкая фаза пропитывает твердые частички шихты и химически взаимодействует с ними. Пропитка и обволакивание час­тиц зависят от смачиваемости их жидкой фазой. Смачи­вающий расплав создает более плотную и прочную струк­туру агломерата. Структура агломерата продолжает формироваться и в процессе охлаждения, кргда образу­ются стекловидные вещества, которые обладают повы­шенной хрупкостью и снижают прочность агломерата. Чем ниже скорость охлаждения агломерата, тем в мень­ших количествах образуются стекловидные вещества и тем прочнее агломерат. В условиях доменной печи заме­на пылеватой руды агломератом достаточной прочности улучшает восстановительную работу газов, так как рас­пределение газового потока в толще шихты становится более равномерным благодаря’ повышенной пористости и газопроницаемости кусков агломерата.

В настоящее время использование агломерата в ших­те доменных печей СССР составляет 74 %. Значение агломерата возрастает в связи с тем, что на рудниках увеличивается количество пылеватых руд. Применение агломерата позволяет экономить кокс, так как газовый поток в доменной печи становится более равномерным и улучшается контакт газа-восстановителя с оксидами железа. Вследствие этого улучшается восстановительная работа газов и использование их физического тепла. При­менение агломерата повышает производительность печи, что объясняется возможностью подавать в печь больше воздуха и тем самым форсировать ход печи. Примерная стоимость 1 т агломерата 11 руб.