книги из ГПНТБ / Вегман, Е. Ф. Теория и технология агломерации

желых свинцовых руд (плотность галенита PbS равна 7,5 г/см3) такая технология является весьма эффектив­ ной. Что касается спекания железных руд и концентра­ тов (плотность гематита и магнетита близка к 5,2 г/см3), то при продуве процесс входит в режим кипящего слоя уже при давлении воздуха 500—600 мм вод. ст. Это резко снизит возможную производительность установок.

Вообще поднять давление дутья и увеличить произ­ водительность такого рода машин можно, например, уложив поверх спекаемого слоя вторую (верхнюю) ко­ лосниковую решетку. Однако это чрезвычайно услож­ нит конструкцию машины.

В цветной металлургии некоторое распространение получила кольцевая агломашина Шлиппенбаха с цент­ ральным газоотводом, обеспечивающим газоплотность всей системы. Загрузка шихты и сбрасывание готового агломерата специальным ножом занимают всего 20% площади машины — вся остальная поверхность колосни­ ковой решетки используется для спекания. Основным недостатком машин такого типа является возможность забивания колосниковой решетки. Конструкция кольце­ вой агломашины, предложенная в 1931 г. В. А. Сахарновым (авторское свидетельство СССР, кл. 18а, I10, № 36427, 24 ноября 193Гг.), предусматривала поворот секций кольцевой решетки при сбрасывании пирога аг­ ломерата, что обеспечивало бы периодическую очистку

с площадью спекания 600—700 м2 представляет значи­ тельную сложность. Были запатентованы также конст­ рукции барабанных агломашин (авторское свидетельст­ во СССР, кл. 18а, I10 № 117530, 12 марта 1948 г.; швед­ ский патент, кл. 18а, № 170270, 2 февраля 1960 г.). Аг­ ломерация осуществляется и во вращающихся печах. Спекание в пересыпающемся подвижном слое без просасывания продуктов горения твердого и газообразного топлива через слой, отсутствие регенерации тепла при­ водят к более чем двойному перерасходу топлива (10— 14% против обычных 5—6%). Интересны многочислен­ ные конструкции шахтных агломашин.

На рис. 7 показано устройство шахтной агломаши­ ны В. Венцеля и Г. Шенка (патент ФРГ, кл. 18а, I14, № 1124985, 5 января 1959 г.). Сверху к стенкам шахты непрерывно загружается аглошихта, а по оси шахты бо­

10

лее крупный материал, например возврат или кусочки руды. Опускаясь в шахте, шихта сначала проходит ми­ мо зажигательных горнов, а затем мимо двух воздуш­ ных камер. Воздух под давлением около 500 мм вод. ст. подается через отверстия в стенках шахты. Скорость

Рис. 7. Шахтная агломерационная машина В. Венцеля, Г. Шенка:

сырой шихты; 9 — зона горения; 10 — зона готового агломерата

опускания шихты подбирается таким образом, чтобы две зоны горения твердого топлива занимали постоянное положение в рабочем пространстве машины. Продукты горения твердого топлива отводятся вверх по централь­ ному столбу материалов, имеющему высокую газопро­ ницаемость. Машина не имеет движущихся частей, ра­ ботает без эксгаустера, обеспечивая спекание слоя тол­ щиной до 1 м. Полупромышленная установка такого ти-

11

■Зона сырой шихты

Зона подогрева и сушка шихты

Зона горения твердого топливо

воздушное 2 дутье

Готовый агломерат

1

Рис. 8. Шахтная агломера­ ционная машина И. Бухвальдера:

1 — корпус шахты; 2 — воз­ душные фурмы; 3 — газоот­ воды; 4 — засыпной аппарат;

5 — рифленые валки

Вдругой шахтной машине (патент ГДР, кл. 18а, I10,

№69818, 23 ноября 1967 г.) воздух вдувается в шахту через специальные фурмы (рис. 8), проходит затем че­ рез слой раскаленного агломерата, охлаждая его, и обе­ спечивает горение твердого топлива. Зона горения зани­ мает стационарное положение в пространстве, так как вертикальная скорость спекания равна скорости опуска­ ния шихты в установке. Шахтные машины работают без вредных подсосов, что приобретает большое значение при производстве глубоко металлизованного агломера­ та, когда смесь отходящих газов с воздухом является

12

взрывоопасной. Шахтную машину легко приспособить и для работы под давлением, для чего достаточно осу­ ществить загрузку шихты и выгрузку готового агломе­ рата через систему конусов или клапанов.

Следует упомянуть и о многочисленных патентах на способы производства агломерата с помощью электро­

21 января 1960 г.). В таких установках шихта пропуска­ ется между двумя электродами или между графитовы­ ми валками и нагревается током. Так как регенерация тепла в этом случае целиком отсутствует, расход энер­ гии оказывается в два раза выше обычного.

Первой аглофабрикой, построенной в России после Октябрьской революции, была фабрика на горе Благо­ дать у Нижнего Тагила, где было установлено 56 круг­ лых аглочаш площадью спекания 4 м2 каждая. В 1929— 1930 гг. на заводе им. Войкова в Керчи были пущены первые в СССР агломерационные ленты (3 ленты по 27 м2). В 1935 г. были построены аглоленты на Макеев­ ском заводе, заводе им. Дзержинского, на Мундыбашской фабрике (КМК). К 1936 г. относится пуск аглолент на Магнитогорском комбинате. В эти же годы были пу­ щены в эксплуатацию аглоленты на Енакиевском заво­ де, Камыш-Бурунской фабрике (г. Керчь) и на заводе «Криворожсталь». В 1940 г. на 16 аглолентах в СССР

было произведено 5,9 млн. т агломерата.

На 1 января 1969 г. в СССР эксплуатировалось 157 аглолент общей площадью 11548 м2. Доля офлюсован­ ного агломерата в общем производстве агломерата до­ стигла в 1971 г. 99,8%- В настоящее время Советский Союз занимает первое место в мире по производству железорудного агломерата (рис. 9, табл. 1).

За 85 лет, прошедших со времени изобретения про­ цесса агломерации, технология спекания была значи­ тельно усовершенствована. Промышленностью исполь­ зуются дополнительный обогрев спекаемого слоя, двух­ слойное спекание, подогрев шихты, термическая обра­ ботка агломерата, производство агломератов двух раз­ личных основностей. В ближайшие годы предстоит раз­ работать методы производства металлизованного агло­ мерата, способы двухзонного спекания при обогащении воздуха кислородом и методы агломерации под давле­ нием. Последующие главы книги содержат теорию агло-

13

Т а б л и ц а 1

Производство железорудного агломерата по годам, млн. т.

Продолжение табл. 1

Годы

Рис. 9. Производство агломерата по годам

14

1. РАЗЛОЖЕНИЕ ГИДРАТОВ

Агломерационная шихта содержит обычно некоторое количество гидратной воды, входящей в состав рудного вещества или пустой породы. В зоне подогрева шихты, а затем и в зоне горения твердого топлива идет разло­ жение гидратов. В табл. 2 приведены эксперименталь­ ные данные о температурах начала разложения гидра­ тов и продуктах их дегидратации.

Исследования тонкой структуры гидроокислов желе­ за позволили установить, что единственным истинным минералом в них является только гётит (Fe20 3-H20 ) с характерной ромбической кристаллической решеткой, в то время как все остальные члены ряда бурых железня­ ков представляют собой лишь твердые растворы воды в гематите и гётите.

Так, гидрогематит (Fe2O3-0,l Н20 ) представляет собой твердый раствор воды в гематите; гидрогётит

твердыми растворами воды в гётите. Что касается турьита, то он представляет собой весьма тонкую механичес­ кую смесь гидрогематита и гётита. Вода входит в кри­ сталлическую решетку твердых растворов в гематите и гётите в виде нейтральных молекул (кристаллизацион­ ная вода), удаление которых возможно уже при относи­ тельно слабом нагреве (120—200° С) без изменения ти­ па решетки и скачкообразных изменений ее параметров. В кристаллической решетке гётита гидратная конститу­ ционная вода присутствует в виде ионов гидроксилов (ОН)~. При этом каждый атом водорода располагается приблизительно симметрично между атомами кислоро­ да, образуя водородную связь. Кроме a-FeO-ОН (гётит), в природе существует еще и y-FeO-OH (лепидокрокит, рубиновая слюдка) с ромбической кристаллической ре-

15

16

Продолжение табл. 2

шеткой, параметры которой значительно отличаются от параметров решетки гётита. В структуре лепидокрокита также присутствуют группы (ОН) - и существуют парал­ лельные зоны водородной связи. Продуктами дегидра­ тации гётита и лепидокрокита являются соответственно тригональный a-Fe203 (гематит) и кубический или те­

трагональный -у-Ре20 3 (маггемит). Таким образом, де­ гидратация связана в этом случае с полным разрушени­ ем первоначальной решетки гидроокисла, что предопре­ деляет и более высокий температурный уровень начала этого процесса (260—328°С). И. Барсад [6] и Г. Сабатье [7] определили теплоту разложения гётита, используя дифференциальный термический анализ. Она оказалась равной приблизительно 18000 ккал/кмоль Н20 (17900 ккал/кмоль Н20 , по Г. Сабатье, 18 700 ккал/кмоль Н20, по И. Барсаду), т. е. 1000 ккал на 1 кг гидратной воды.

Кристаллическая моноклинная решетка гиббсита, со­ держащегося довольно часто в пустой породе глинозе­ мистых латеритовых руд, включает катионы А1 и анио­ ны (ОН)- . Катионы А1 занимают часть октаэдрических пустот между группами, образующими в структуре это­ го минерала закономерно ориентированные слои. При 285—340° С гиббсит переходит в ромбический бёмит, структура которого аналогична структуре лепидокроки­

у-А120 3 в тригональный а-корунд происходит при значи­ тельно более высоких температурах (900— 1200°С). Ромбическая решетка диаспора (а-АЮОН) сходна с ре­

класса слюд относятся к группе хлоритов, включающей в себя, кроме того, пеннин, клинохлор, амезит, прохло­ рит, корундофиллит и др. Основу тонкой структуры хлоритов составляют листы из тетраэдров (S i04), меж­ ду которыми располагаются гидроксильные группы (ОН)- и катионы Fe, Al, Mg. Удаление воды из тюрингита (рис. 10) начинается лишь при 390—410° С и про­ должается вплоть до 900— 1000° С [8].

В состав пустой породы железных руд иногда входит также каолинит — минерал группы слюд, в кристалли-

18

ческую решетку которого входят гидроксильные группы (ОН)- . Дегидратация каолинита с образованием мета­ каолинита, начинаясь при 400—550° С, заканчивается лишь при 900— 1100° С, на что указывал еще Ле-Ша-

Температура, СС

Температцра, °С

телье. Параллельно с обезвоживанием идет распад ме­ такаолинита (при 800—900° С) и образование муллита

(1050— 1250° С):

А120 з• 2Si02 • 2Н20-^А120 з• 2Si02+ 2Н20.

каолинит метакаолинит

А120 3 • 2Si02—*- А120 з • 2Si02

ЗА120 з -г 6Si02 — ЗА120 з • 2Si02 -Ь 4Si02

муллит кристобаллит

В силикатах (группы слюд) — бейделлите и бенто­ ните— наряду с гидроксильными группами присутству­ ют и нейтральные молекулы воды. В соответствии с этим первые порции воды удаляются легко при 50— 155° С, а дальнейшее обезвоживание требует нагрева минера­

сравнительно низких температурах, так как в кристал­ лических решетках этих веществ вода присутствует в виде нейтральных молекул.