1.2.4. Обжиг руд
Окислительный обжиг (нагрев руды до высоких температур 900-1000 °С в атмосфере воздуха) производят для удаления СО2 карбонатов и серы (в виде SО2). В последнее время окислительный обжиг применяют редко, его функции с успехом выполняет агломерация. Чаще применяют восстановительный обжиг (нагрев руды в восстановительной атмосфере). Главная цель восстановительного обжига железных руд состоит в том, чтобы превратить слабомагнитный оксид Fе2О3 в сильномагнитный Fe3O4 по реакции Fе2О3 + СО(Н2) = Fе3О4 + СО2(Н2О). К такой руде может быть применен наиболее эффективный электромагнитный способ обогащения. По этой причине восстановительный обжиг иногда называют магнетизирующим.
1.2.5. Усреднение
Структура рудных месторождений, как правило, неоднородна: участки богатой руды перемежаются с более бедной и с пустой породой. В результате этого руды, добываемые на одном месторождении, имеют непостоянный химико-минералогический состав. На современных рудоподготовительных фабриках усреднение является обязательной операцией, обеспечивающей снижение колебаний химико-минералогического состава руды и существенное повышение технико-экономических показателей при ее металлургическом переделе.
Усреднение представляет собой перемешивание большой массы рудного материала. Обычно эта операция производится в штабелях вместимостью до 100 тыс. т. Формирование штабеля ведут тонкими параллельными слоями материала, расположенными наклонно или горизонтально (рис. 5). Забор материала производят тоже слоями, но в направлении, перпендикулярном расположению слоев, формирующих штабель. Каждая порция при заборе материала, включающая все формирующие слои (иногда более 1000), имеет состав, идентичный среднему составу материала в штабеля. Усреднительный склад имеет два штабеля, один из которых формируется, а из другого материал забирают.
Рис. 5 Усреднение по химико-минерологическому составу: 1 – подающий конвейер; 2 – саморазгружающаяся тележка; 3 – формируемый штабель; 4 – штабель под разгрузкой; 5 – забор материала
1.2.6. Окускование
Получаемые после обогащения руд тонкоизмельченные концентраты (<0,1 мм) не могут быть направлены непосредственно в доменную печь, так как они не обеспечивают высокой газопроницаемости шихты. Превращение мелких частиц рудных концентратов и некоторых других материалов в более крупные куски, удовлетворяющие требованиям доменной плавки (20-40 мм) и составляет основную цель процессов окускования. Из трех способов окускования - брикетирования, агломерации и получения окатышей - первый в черной металлургии практически не применяется.
Агломерация - это термический способ окускования мелких материалов для улучшения их металлургических свойств, осуществляемый путем сжигания мелкого топлива в самом материале за счет непрерывного подсоса воздуха. При агломерации происходит не только спекание, но и удаление некоторых вредных примесей (серы, частично мышьяка и других), разложение карбонатов. Часто в агломерационную шихту вводят флюсы. В результате получают материал с улучшенными химическими и физическими свойствами, офлюсованный, с повышенной пористостью и достаточной механической прочностью. При использовании агломерата в доменных печах снижается расход кокса, интенсифицируется процесс плавки, повышается производительность. В связи с этим в современных доменных печах стремятся использовать железорудную шихту, состоящую из 100 % агломерата.
Агломерационная шихта включает следующие компоненты:
1. Рудная часть, представленная концентратом или рудой (крупность кусочков руды не должна превышать 5-6 мм).
2. Топливо, в качестве которого применяют, как правило, мелкий кокс (0-3 мм), иногда с добавкой каменного угля, содержание топлива в шихте 3-6 %.
3. Флюс. Весь получаемый агломерат является офлюсованным, т. е. получается с добавкой известняка, который раньше давали в печь необожженным. Благодаря исключению известняка из доменной шихты значительно улучшается работа доменных печей и, прежде всего, снижается удельный расход кокса. Для того чтобы известняк в течение короткого периода агломерации успел разложиться, его дробят до крупности 0-3 мм. Количество известняка в агломерационной шихте составляет около 5-10 %.
4. Добавки. Агломерационный процесс позволяет эффективно утилизировать такие материалы, как колошниковая пыль, окалина, пиритные огарки, красные шламы и др. Количество этих материалов в агломерационной шихте невелико (<5 %).
5. Возврат - мелкий, некондиционный агломерат от предыдущего спекания (крупность 0-6 мм; содержание в шихте 20-30 %).
6. Вода добавляется в количестве 5-8 % для улучшения процесса грануляции мелких частичек шихты. Гранулированная (или окомкованная) шихта благодаря высокой газопроницаемости обеспечивает достижение высокой производительности агломерационных машин.
Агломерационная шихта, составленная из указанных компонентов в заданном соотношении, после смешивания и окомкования укладывается слоем толщиной 200-300 мм на колосниковую решетку агломерационной машины, под которой создается разрежение ~ 10 кПа при помощи вентилятора-дымососа, который на аглофабриках получил название эксгаустера.
Процесс агломерации начинается с зажигания шихты - разогрева поверхностного слоя шихты толщиной 20-30 мм до 1200 °С. Общая схема агломерационного процесса может быть представлена следующим образом (рис.6).
Рис.6 Схема агломерационного процесса: а) начало процесса; б) промежуточная стадия; в) конечная стадия; А – агломерат; Ш – шихта; 1 - колосниковая решетка, 2 – «постель»
Воздух, засасываемый в агломерационную шихту, нагревается в поверхностном слое и обеспечивает интенсивное горение топлива шихты. Температура на данном горизонте быстро достигает максимального значения. В результате локальной усадки материала при его плавлении вблизи горящих частичек коксика, диссоциации карбонатов, выгорания коксика, а также интенсивного движения газов через слой полурасплавленных масс материала, агломерат приобретает пористую структуру. Горячие газы из зоны формирования агломерата, продолжая двигаться вниз, нагревают материал соседнего слоя, в котором последовательно идут процессы испарения влаги, разложения гидратных и карбонатных соединений. Как только температура материала достигнет 700-800 °С, происходит воспламенение топлива - начинается быстрый разогрев шихты, ее плавление и получение пористого слоя агломерата. К этому времени топливо лежащего выше слоя полностью выгорает, и поступающий непрерывно в слой холодный воздух охлаждает образовавшийся агломерат. Таким образом, зона максимальных температур (зона формирования агломерата) как бы внедряется в слой шихты, составляя за собой слой готового охлаждающегося агломерата.
Агломерационный процесс является одним из самых совершенных по степени использования тепла, так как обеспечивает нагрев рудного материала до высоких температур при сжигании небольшого количества топлива (2-4 %С). Несмотря на то, что продолжительность воздействия высоких температур на агломерируемый материал невелика (1,5-2,0 мин), в нем успевают пройти многочисленные химические реакции, которые в значительной степени влияют на формирование агломерата и его физико-химические свойства. Полагают, что окисление углерода топлива происходит с образованием одновременно СО2 и СО примерно в равных количествах 4С + 3О2 = 2СО2 + 2СО + Q.
Формирующаяся при этом газовая фаза обладает восстановительным потенциалом по отношению к Fe2O3 и Fe3О4, что способствует образованию FeO. Присутствие FeO в агломерируемом материале облегчает получение расплава относительно невысоких температурах (1200°С) вследствие образования фаялита 2FeO + SiO2 = 2FeO.SiО2 или железокальциевых оливинов (при получении малоосновных агломератов) FeO + СаО + SiO2 = CaOx.FeO2-x.SiO2. С увеличением основности шихты железокальцевые оливины замещаются силикатами кальция: СаО + SiO2 = CaSiO3; 2СаО + SiO2 = Ca2SiO4. При большом содержании СаО в шихте наряду с силикатами кальция образуются ферриты кальция CaO.Fe2O3, 2CaO.Fe2O3.
Большая часть серы шихты удаляется в результате диссоциации пирита и последующего удаления (окисления) серы с газом FeS2 = FeS + S; S + O2 = SO2, 3FeS + 5O2 = Fe304 + 3SO2.
Агломерацию осуществляют на агломерационной машине ленточного типа (непрерывного действия), схема которой представлена на рис. 7.
Рис.7 Агломерационная машина: 1 - барабанный питатель для загрузки шихты; 2 - направляющие рельсы; 3 - зажигательный горн; 4 - спекательные тележки; 5 - вакуум-камеры (эксгаустеры)
Основной частью агломерационной машины является металлический желоб (шириной 2-4 и длиной 25-50 м), образованный из плотно сдвинутых тележек с бортами (паллет) перемещающихся по рельсам на роликах. Дно у тележек набрано из колосников (со щелями шириной 5-6 мм). В промежутке между верхними и нижними направляющими смонтированы пирамидальной формы вакуум-камеры, соединенные при помощи газохода с дымососом. Последний при работе создает разрежение в вакуум-камерах, под действием которого через всю площадь паллет, находящихся на верхнем горизонтальном участке, в агломерируемый слой засасывается вначале горячий газ (из зажигательного горна), а затем на остальной части машины - воздух.
Подготовленную шихту (влажную окомкованную) при помощи питателя загружают на непрерывно движущиеся паллеты и перемещают под горн, где в течение ~ 1 мин происходит зажигание шихты. В слой, выходящий из-под горна, начинает засасываться воздух, который обеспечивает нормальное течение агломерационного процесса, т. е. перемещение зоны формирования агломерата вниз. Скорость движения паллет регулируется таким образом, чтобы зона формирования агломерата достигла колосников в момент, когда паллета проходит над последней вакуум-камерой. При опрокидывании тележки «агломерационный пирог» соскальзывает с нее и после дробления и грохочения направляется на охлаждение.
Наиболее целесообразным способом окускования тонкоизмельченных концентратов (<0,1 мм) является получение окатышей (шариков диаметром 15-20 мм), обладающих достаточно высокой прочностью на раздавливание 2-3 кН/окатыш. Технология производства железорудных окатышей состоит из двух стадий: 1) получения сырых окатышей из концентрата; 2) упрочняющего обжига.
Шихта для получения окатышей состоит из трех основных компонентов: 1) рудного концентрата (крупностью <0,074 мм); 2) бентонита - особого сорта глины, повышающей пластичность окатышей и их прочность в сухом виде (содержание в шихте ~0,5 %); 3) известняка.
Бентонит и известняк предварительно должны быть измельчены до фракции 0,05-0,1 мм. Приготовленную шихту после тщательного смешивания направляют в грануляторы барабанного или тарельчатого типа (рис. 8), в которых при увлажнении до 8,5-9,0 % формируют окатыши требуемого размера.
Рис.8 Грануляторы: 1 – барабанный; 2 - тарельчатый
Для обеспечения прочности, удовлетворяющей требованиям доменной плавки, окатыши подвергают упрочняющему обжигу при температуре ~1300СС в течение 5-10 мин либо на конвейерных машинах, подобных агломерационным, либо в трубчатых или шахтных печах. Упрочнение окатышей при их обжиге достигается в результате припекания мелких рудных частичек друг к другу либо без жидкой фазы, либо при ее минимальном количестве. В процессе обжига окатышей происходит диссоциация известняка, удаление большей части серы, образование новых минералов (силикатов, ферритов кальция и др.).