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

горения. В обоих случаях, а особенно в первом, вертикальная скорость спекания может быть увеличена, если подводить к зоне горения больше воздуха в единицу вре­

канию по технологии, обеспечивающей в данных услови­ ях максимально возможную газопроницаемость спекае­ мого слоя.

Рис. 21. Зависимость меж­

7—магнетитовый концент­ рат НТМК; 8 — англий­ ские бурые железняки

Влажность шихты, %

30

Газопроницаемость шихты в сильной степени зави­ сит от ее абсолютной влажности. Для материала данно­ го минералогического и гранулометрического состава существует только одно оптимальное значение влажно-

сти (рис. 2 1 ), которое с возможной степенью точности

необходимо поддерживать вручную или автоматически. Вода, образуя пленки и манжеты между частицами пы­ леватой шихты, стягивает их в комки. Согласно уравне­ нию Лапласа, величина стягивающего частицы капил­ лярного давления р (дин/см2) для водяной манжеты радиусов Г\ и г2 (рис. 22) при коэффициенте поверхност­ ного натяжения воды на границе с воздухом а (дин/см) может быть вычислена следующим образом:

р = а(1 Іг2 — 1/гі).

Из уравнения следует, что стягивающее усилие рас­ тет с увеличением и и уменьшением г2, что достигается увеличением массы воды в манжете при постоянном рас­ стоянии. между рудными частицами или сближением этих частиц. В смесительном и комкующем барабанах используются обе эти возможности — шихта обрызгива­ ется водой (увеличение числа манжет и их абсолютных размеров), рудные комки уплотняются на внутренней поверхности барабана под действием реакции опоры, приложенной к комку в точке его соприкосновения с ба­ рабаном и равной весу комка. Очевидно, что при недо­ статке воды число манжет и их размеры недостаточны.

31

Наоборот, при переходе через оптимальное значение влажности прочность комков снижается, так как пленки сливаются, уменьшая число разделов вода — воздух. Напомним, что при спекании холодной шихты имеет ме­ сто переувлажнение, ухудшающее газопроницаемость слоя. Подогрев шихты, устраняя переувлажнение и уси­ ливая испарение воды из шихты, повышает ее оптималь­ ную влажность (рис. 23).

Комкуемость шихты может быть существенно повы­ шена микродобавками, небольшие количества которых вводятся вместе с водой или отдельным питателем в сме­ сительный или окомковательный барабаны.

При использовании 0,3%-ного водного раствора по­ лиакриламида (авторское свидетельство СССР, кл. 18а, 1/22, № 277808, 18 сентября 1951 г.) [26] удавалось под­ нять производительность установок на 7— 11%. Подача в шихту 1,5 кг/т 8%-ного водного раствора полиакрила­ мида повышала производительность установок на 27% при одновременном падении вакуума на 100— 150 мм во­ дяного столба. Применение 7%-ного водного раствора гумата натрия (7% от массы шихты) повышало про­ изводительность аглоустановки на 17—29% [27].

В ряде японских патентов рекомендуется добавка к аглошихте до 5% частично омыленного поливинилацета­ та. Положительные результаты получены также в опытах повышения газопроницаемости агломерационной шихты добавками жидкого стекла, водных растворов железно­ го купороса, сульфитного щелока, Na (ОН), Na2C03, NaCl [28]. Микродобавки часто являются поверхностно активными веществами, повышающими гидрофильность шихты, смачиваемость и во многих случаях обна­ руживают также клеющие свойства. Особое место среди

массы шихты), что позволяет, кроме того, немного сни­ зить и расход твердого топлива. Как показали промыш­ ленные опыты, производительность лент возрастала от добавки мазута к шихте почти на 20%. Существуют аналогичные предложения, предусматривающие подачу водной эмульсии нефти, масла, а также смолы для по­ лукоксования газовых и длинно-пламенных углей с температурой кипения ниже 300 °С. Несмотря на очевид­

32

ные преимущества подачи жидкого топлива в шихту, такая технология не может быть рекомендована без ус­ тановки специальной газоочистки (фильтры, электро­ очистители), освобождающей отходящие газы от мель­ чайших капель смол. Мазут испаряется ниже зоны го­ рения твердого топлива и в дальнейшём его пары кон­ денсируются вдоль всего тракта отвода газов. Помимо образования плотных налетов на стенках газопровода, наблюдается отложение жидких смол в эксгаустере, что вызывает опасную вибрацию его ротора. Такие же труд­ ности наблюдаются и в случае спекания на буром или каменном углях, когда летучие вещества из отходящих газов в большом количестве осаждаются в газоотводе и эксгаустере, результатом чего являются многосуточные простои агломашин после нескольких часов работы. Ре­ шение этой проблемы возможно при применении спе­ циально разработанных для этой цели методик, позво­

ляющих полностью устранить выход смол из спекаемого слоя в газоотвод.

Обнадеживающие результаты дали также первые опыты улучшения газопроницаемости шихты окомкованием с водой, прошедшей магнитную обработку, кото­ рая меняет поверхностное натяжение и вязкость воды. На агломерационной фабрике ЮГОКа при спекании 100% тонкого концентрата использование воды, обрабо­ танной в магнитном поле, увеличило газопроницаемость шихты на 18%. В случае спекания руды эффект был меньшим [29]. При окомковании концентрата обогаще­ ния магнетитовых кварцитов КМА использование омагниченной воды сокращает необходимое время пребыва­ ния в комкующем аппарате на 12—22%. Значительный эффект дает также предварительное намагничивание шихты (Мигуцкий Л. Р., Крипивский А. 3., Матов А. Л. и др., авторское свидетельство СССР, кл. 18а, 1/20, № 231569. 19 ноября 1965 г.), способствующее ее окомкованию. Магнитные силы в этом случае усиливают силы, стягивающие частицы в комки. Из этого следует, что на обогатительных комбинатах целесообразнее агломерировать только что полученный концентрат, без хранения его на промежуточных складах.

Качество воды, подаваемой в смесительный и окомковательный барабаны, также влияет на эффект окомкования. По исследованиям Ф. Крузе и Е. Гофмана [30], следует избегать использования воды с рН = 7

(рис. 24), изменяя по возможности этот показатель в большую или меньшую сторону.

Сильное интенсифицирующее воздействие на процесс спекания оказывает добавка к шихте известкового моло­ ка, извести-пушонки и в меньшей степени негашеной из­ вести, мела, карбонатной извести и известняка, исполь­ зуемых в качестве флюсов при производстве самоплав­ кого офлюсованного агломерата. Гидрат окиси кальция обладает сильными вяжущими свойствами. В момент га­ шения известь резко и в благоприятном направлении ме­

няет pH воды, подава­ емой в смесительный и окомковательный ба­ рабаны, улучшая сма­ чиваемость шихты. Ге­ ли, состоящие из мель­ чайших частиц изве­ сти, известняка, кри­ сталлических гидратов окиси кальция, являют­ ся минеральными клея­ ми, действие которых усиливается при выле­ живании и частичном высыхании шихты. Присутствуя внутри во­ дяных пленок, манжет, между частицами ру­ ды и концентрата, та­ кие гели электроста­ тически связывают

рудные частицы. После подсыхания и твердения частицы руды оказываются связанными в прочные комки мостиками из кристаллических гидратов окиси кальция. Кроме кристаллов портландита Са(ОН)2, об­ разуются также сложные кристаллогидраты типа пСаС0з-Са(0Н )2«Н20. Нельзя забывать также о выде­ лении тепла при гашении извести, подогревающего ших­ ту до 25—30 °С и в какой-то степени уменьшающего пе­ реувлажнение. До 450—500 °С, т. е. ниже температуры начала разложения Са(ОН)2, рудные комки имеют бо­ лее высокую прочность в сравнении с неофлюсованными комками. Комки Са(ОН)2 в меньшей степени подверже­ ны разрушению в зонах переувлажнения, сушки и по-

34

догрева шихты. При использовании извести удается экономить топливо, так как затраты тепла на дегидрата­ цию портландита существенно меньше теплоты диссоци­ ации СаС03. Известь активнее участвует в реакциях с ИегОз и БіОг в твердой фазе, что увеличивает количест­ во связки в агломерате.-

Исследования [31] показали, что максимум вяжу­ щих свойств извести соответствует температуре ее обжига 1100° С. Время гашения извести в обычных услови­ ях не превышает 2—3 мин, но для крупнокристалличе­ ской извести, полученной при чрезмерно высоких темпе­ ратурах, это время значительно увеличивается. Из­ весть, пережженная при 1400— 1700 °С, вообще теряет способность гидратироваться. Целесообразно использо­ вать только известь тонкого помола. Находящиеся в мас­ се СаО кристаллы MgO гасятся плохо. Их содержание в извести не должно превышать 5%. Максимальный рост газопроницаемости спекаемого слоя и производительно­ сти аглоустановок наблюдается при небольших (до 3%) добавках извести.

Увеличение расхода извести сверх определенного пре­ дела вредно сказывается на прочности комков под зоной горения твердого топлива при нагреве до температур, превышающих температуру начала диссоциации порт­ ландита. Высокая цена извести также ограничивает ее расход. Известь играет, таким образом, только роль ин­ тенсифицирующей добавки — основная масса флюса всегда состоит из известняка. В средних условиях спека­ ния при расходе извести (по массе) до 4% прирост про­ изводительности аглолент составляет 4—6% на каждый процент извести. Наивысший эффект достигается на шихтах с плохой газопроницаемостью, содержащих большую долю тонких концентратов при небольшом ко­ личестве возврата (до 20%). Рис. 25 иллюстрирует влияние добавок извести и известняка на производитель­ ность аглоустановки. Особенно высокий эффект дает так называемое сезонирование шихты [32], заключающееся в выдерживании ее на рудном складе в течение 12— 16 дней, обеспечивающее полное завершение кристаллиза­ ции портландита и подсыхание гелей, играющих роль ми­ нерального клея в рудных комках.

Как уже упоминалось, подогрев шихты, должен ис­ пользоваться и при спекании шихт с известью. Из рис. 26 видно, что влияние подогрева ощутимо сказыва­

ется на производительности агломерационных установок и в этом случае.

Газопроницаемость шихты, производительность агло­ мерационной установки и качество готового агломерата во многом зависят от режима возврата, принятого на аглофабрике. Возврат, крупность которого всегда выше

Рис. 25. Зависимость между содер­ Рис. 26. Увеличение производительности жанием извести (]), извести-пушон­ агломерационной установки при вводе ки (2), известняка (3) в шихте из извести-пушонки (/), известкового мо­ концентрата обогащения криворож­ лока (2) или известняка (3) в подогре­ ских кварцитов (85%), криворожской тую шихту, состоящую из 85% криво­ аглоруды (15%) и удельной произво­ рожского концентрата и 15% аглорѵдй дительностью аглоустановки 1961 г.

крупности концентрата и пылеватой аглоруды, разрых­ ляет шихту; его частицы становятся центрами образова­ ния комков при смешении и окомковании влажной шихты. С этой точки зрения возврат, улучшая газопро­ ницаемость шихты, повышает производительность уста­ новок. С другой стороны, возврат является браком агло­ мерационного производства и снижает производитель­ ность аглофабрики (рис. 27). Зависимость между про­ изводительностью и количеством возврата в шихте носит, поэтому, экстремальный характер (рис. 28). Дру­ гими словами, сверх определенного содержания возвра­ та в агломерационной шихте никакое увеличение газо­ проницаемости и вертикальной скорости спекания не мо­ жет уже компенсировать уменьшения выхода годного.

При 100% возврата в шихте производительность аг­ ломашины, очевидно, равна нулю, так как весь продукт является браком и направляется на повторное или мно­ гократное спекание. Практически оптимальное содержа­ ние возврата в шихте при наивысшей производительно-

36

сти машины в разных условиях колеблется в пределах от 10 до 30%■ Для случая спекания тонких концентратов обогащения криворожских кварцитов это содержание близко, например, к 20% [34]. Любые меры, улучшаю­ щие газопроницаемость спекаемого слоя, понижают од­ новременно оптимальную (с точки зрения производи-

Возірат

Рис. 27. Материальный баланс агломерации

37

тельности установки) долю возврата в шихте. Именно так действует подогрев шихты, увеличение крупности концентрата или переход с концентрата на руду, исполь­ зование комкующих добавок. На рис. 29 показано в ка­ честве примера влияние добавок извести на величину оптимальной доли воз­ врата в аглошихте.

Количество возвра­ та влияет и на качест­ во готового агломера­ та. Возврат по минера­ логическому составу близок к годному агло­ мерату и значительно отличается от состава исходной шихты. В возврате, полученном при спекании гемати­ товой шихты с кварце-

вой пустой породой, преобладает магнетит, между кристаллами которого располагается ферритная или си­ ликатная связка. Таким образом, в возврате содержат­ ся уже в готовом виде легкоплавкие соединения, эвтек­ тики, активизирующие процессы размягчения, смачива­ ния, растворения шихты первичным расплавом. В то же время в свежей шихте должны сначала пройти реакции разложения гидратов, карбонатов, диссоциации и вос­ становления окислов, реакции между твердыми фазами И только затем начинается образование расплава. Ввод возврата в шихту ускоряет образование расплава, уве^

38

личивает количество жидких фаз в зоне горения, коли­ чество связки в готовом агломерате после кристаллиза­ ции жидкости, а также прочность агломерата, что отчет­ ливо видно на экспериментальных кривых (рис. 30).

Двойственная роль возврата сказывается и на ка­ честве агломерата. При шихтовке коксовая мелочь дает­ ся только в свежую шихту (возврат в подавляющем большинстве случаев не взвешивается); считается, что на установившемся режиме его количество приблизительно постоянно. Содержание углерода в возврате редко пре­ вышает 0,5%ѵт1з этого следует, что возврат всегда явля­ ется потребителем тепла и в тепловом отношении не мо­ жет считаться чисто циркуляционной нагрузкой. При спекании возврат почти не требует затрат тепла на раз­ ложение гидратов, карбонатов, на диссоциацию окис­ лов. Однако покидая ленту при температуре немногим меньшей, чем средняя температура пирога агломерата, он теряет тепло во время транспортировки к смеситель­ ному барабану или заливается водой до полного охлаж­ дения. Нагрев холодного возврата до средней темпера­ туры пирога агломерата требует сравнительно неболь­ шого количества тепла. Так, при 25% возврата в шихте из криворожских гематитовых руд затраты тепла на на­ грев его (теплотой горения коксовой мелочи, содержа­ щейся в свежей шихте) достигают лишь 7—8% от обще­ го расхода тепла. С увеличением доли возврата в шихте пропорционально растут, конечно, и затраты тепла на его нагрев. Сверх определенного предела, эти затраты тепла начинают влиять на температурный уровень про­ цесса, ухудшая качество агломерата. Этим объясняется наличие максимума прочности на кривых, связывающих качество агломерата с количеством возврата в шихте

(см. рис. 30).

Имеет значение и то обстоятельство, что кусочки воз­ врата не содержат в себе частиц топлива, прогреваются и плавятся лишь за счет углерода комков из свежей шихты. Центральные зоны кусочков возврата могут в этих условиях недостаточно прогреваться и слабо усва­ иваться расплавом, что усиливает неоднородность агло­ мерата и снижает его прочность, когда возврата слиш­ ком много.

Повышенный расход твердого топлива в свежую ших­ ту, создающий некоторый избыток тепла в спекаемом слое, позволяет иметь больше возврата в шихте с соот­

39