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

ров и направляется для дожигания в зажигательный горн. Параллельно с восстановлением идет охлаждение агломерата, вследствие чего степень металлизации за 5—-10 мин пребывания пирога в зоне восстановления не может быть ощутимой. При восстановлении ухудшается прочность готового продукта. Наиболее крупный недо­ статок машины — ее взрывоопасность. Взрыв газа-вос­ становителя (водорода, природного газа) в смеси с воз­ духом вредных подсосов в присутствии раскаленного пи­ рога агломерата неизбежен. Представляется, что по перечисленным причинам методы восстановления агло­

50%) содержанием коксовой мелочи была предложена В. Дэвисом в 1958 г. (патент США, кл. 75—5, № 3083090 22 сентября 1958 г.). Спекание ведется на обычных аг­ ломашинах в вакуумном режиме.

В 1961 г. Е. Ф. Вегман предложил использовать при металлизации агломератов из неофлюсованных шихт и шихт любой основности низкосортное топливо (до 60%), подавая для ускорения процесса в спекаемый слой воз­ дух, обогащенный кислородом. С 1961 г. опыты получе­ ния металлизованного агломерата ведутся в лаборато­ риях кафедры руднотермических процессов Московско­ го института стали и сплавов. Остановимся сначала несколько подробнее на механизме металлизации агло­ мерата в ходе спекания.

Восстановителями железа являются здесь окись уг­ лерода, концентрация которой в газовой фазе при вы­ соких расходах твердого топлива значительно возраста­ ет; водород, образующийся при взаимодействии водя­ ных паров воздуха с горящими топливными частицами; и сами частицы коксовой мелочи и антрацита.

На рис. 56 показана микроструктура металлизован­ ного агломерата, на которой частицы железа распола­ гаются среди вюстита, силикатной связки и вокруг ос­ татков коксовой мелочи. Количество остаточного угле­ рода, составляющее в обычном агломерате 0,3—0,4%, достигает в металлизованном агломерате 4—6%. Каж­ дая частица коксовой мелочи окружена в таком агломе­ рате плотной сферой металлического железа, образую­ щейся при горении частицы среди шихты и среди желе­ зистого расплава. Металлизация может начинаться еще

80

на четкие генетические группы. Однако по ряду косвен­ ных признаков можно судить о важности каждой из пе­ речисленных ступеней восстановления. Так, использова­ ние трудновосстановимых руд снижает степень металли-

Iсо,

Рис. 57. Предполагаемая схема минералообразования при спекании металлизованного агломерата (основностью 1,0—1,2; Fei — железо, восстановленное под зоной горения; Fe2 — железо, восстановленное из расплава; Fe3—-железо, восстановленное над зоной горения твер­ дого топлива)

зации шихты, так как тормозит восстановление под зо­ ной горения. Быстрое охлаждение готового агломерата подачей холодной тонкораспыленной воды и водяных паров полностью прекращает металлизацию в верхней ступени, над зоной горения и, по-видимому, в самой зо­ не горения. Только этим объясняется факт отсутствия металлического железа в так называемом «активиро­ ванном» агломерате, приготовленном по методу В. А. Со­ рокина [99]. Такой агломерат также спекается с высо­ ким расходом твердого топлива, содержит остаточную коксовую мелочь в структуре, однако он содержит толь­

82

ко следы металлического железа из-за заливки спекае­ мого слоя тонкораспыленной водой. Трудно предполо­ жить, что отсутствие металлизации связано здесь с повышением окислительного потенциала газов, всасыва-

FeO, %

^ocm'%

10

то | | |

то %

5; <3 §

1300 ä

:

| f §

то 5

Рис. 58. Влияние расхода коксовой мелочи на показатели

емых в спекаемый слой, так как в опытах МИСиСа металлизация не ухудшалась даже при значительном обогащении воздуха кислородом. Резкое охлаждение, вероятно, единственная причина прекращения металли­ зации в спекаемом слое.

Предполагаемая схема металлизации агломерата по­ казана на рис. 57. Для микроструктуры металлизован­

ного агломерата характерна высокая степень кристал­ лизации силикатной связки, так как расплав в этих ус­ ловиях застывает с малой скоростью. Кристаллическая силикатная связка состоит из Са-оливина, геденбергита

исиликатов кальция.

В1967—1970 гг. в лабораториях МИСиСа и

ЦНИИЧМ было проведено [60] более 250 спеканий в лабораторных чашах с получением металлизованного агломерата. Некоторые из наиболее важных показате­ лей спекания металлизованного агломерата в зависи­ мости от расхода твердого топлива в шихту представле­ ны на рис. 58. Было установлено, что металлизация при спекании начинается с 7—8% углерода в аглошихте.

При 20 и 30% углерода степень металлизации агломе­ рата составляет соответственно 40—60% и 60—80%.

новление железа, со снижением теплового к. п. д. угле­ рода, уменьшением отношения С 02/СО от обычного уровня (3—4) до С 02С О = 1-1- 2.

Так как на производстве подсосы воздуха неизбеж­ ны, в особенности если процесс спекания ведется на аг­ лоленте, представляет интерес вопрос взрывобезопасно­ сти на тракте отвода газов от машины. Известно, что при большом содержании инертных составляющих го-

84

рючие газы теряют способность взрываться, так как теп­ лоты сгорания горючих частей газа недостаточны для его нагрева до воспламенения.

Количество объемов инертного газа на 1 объем го­ рючего газа, при котором любая газо-воздушная смесь становится взрывобезопасной [ 100], следующее:

Е. Ф. Вегман [101] получили металлизованный агломе­ рат в шахтной агломашине. В 1969—1970 гг. Е. Ф. Вег­ ман и Т. Клышбеков получили такой агломерат из Губ­ кинского концентрата на ленте 5,4 м2 НТМЗ. К концу

1970 г. были подготовлены все необходимые данные для первых в мире промышленных опытов получения метал­ лизованного агломерата на конвейерной агломашине стандартной конструкции. Опыты были проведены [102] в октябре 1970 г. и мае 1971 г. на агломерационных лен­ тах площадью спекания по 84 м2 Череповецкого метал­

лургического завода. Общая продолжительность опытов составила 47 ч.

В состав спекаемой шихты входили оленегорский концентрат (28,9—35,2%), ковдорский концентрат

(17,6—22,0%), михайловская аглоруда (10,5—11,1%),

пикалевский известняк (12,2—14,8%), коксовая мелочь и антрацитовый штыб (21,9—24,8%).

Лабораторными опытами было установлено, что обычный окисленный крупный возврат плохо металлизуется, так как не содержит топлива. Поэтому первый опыт вели без возврата. Ко второму опыту схема пода­ чи возврата в шихту на фабрике была изменена, появи­ лась возможность работы двух аглолент на своем собст­ венном металлизованном возврате (26,0—38,0%). На­ сыпная масса шихты составляла 1,41— 1,51 т/м3.

Спекание вели при высоте слоя шихты в 280 мм и высоте постели 20 мм. В соответствие со свойствами шихты температура зажигания была снижена до 1190° С (на 30—40°С ниже обычной). Большая толщина зоны

85

жидких и тестообразных масс в спекаемом слое вызва­ ла увеличение вакуума под лентой от 1000 1100 мм вод. ст. до 1250—1400 мм вод. ст. что, в свою очередь увели­ чило долю вредных подсосов до 75 80% и снизило тем­ пературу отходящих газов перед эксгаустером до 90 95°С (обычно ПО—120°С). Отметим, что попытка спе­ кания слоя высотой 210 мм на аглолентах №^4 и 5 при­ вела к получению агломерата с пониженной степенью металлизации. Регенерация тепла и в этом случае иг­ рает важную роль, в связи с чем рекомендуется спекать металлизованный агломерат по возможности в высоком

слое.

Пирог агломерата не припекался к бортам или ко­ лосниковой решетке паллеты и при наличии постели нормально сходил с машины при опрокидывании спека-

При переходе через этот режим спекание шло несколь­ ко холоднее. Длительная работа на металлизованный агломерат требует все же некоторого утяжеления пал­ лет, возможно, организации их испарительного охлаж­ дения и во всех без исключения случаях достаточно тол­ стого слоя постели. Все остальные детали конструкции ленты и фабрики остаются без изменений.

При разделке по обычной технологии и измельчении проб металлизованного агломерата в виброистирателях металлическое железо частично окисляется. Это обус­ ловливает разницу между данными химического и пет­ рографического анализов.

По данным химического анализа, металлизованный агломерат, полученный во время опытов в 1970 г., со­

(100 FeMeT'• Fe06m), равной 30,6%. По результатам пет­

рографического анализа агломерат содержал в среднем

FeMeT, 6,1% С при основности 1,22 и средней степени ме­ таллизации 25,4% (данные химического анализа). По ре­ зультатам петрографического анализа агломерат содер­ жал в среднем 32,1 % FeMeT, что соответствовало степени металлизации в 57,2%. Содержание серы в агломерате находилось в пределах от 0,2 до 0,3%.

86

Плохой отсев от агломерата мелочи, содержащей много углерода, привел в октябре 1970 г. к гнездовому горению в его слое на линейном охладителе. Это вы­ нуждало заливать агломерат водой в одновалковой дро­ билке, результатом чего был барабанный показатель, равный 30 (определенную роль играла, конечно, и чрез­ мерно высокая основность агломерата). В мае 1971 г. агломерат охлаждали в чашевых установках, где не бы­ ло горения углерода. Заливка агломерата водой была прекращена, и барабанный показатель снизился до 23 (барабанный показатель металлизованного агломерата лабораторных спеканий был равен 13—21). Пористость агломерата достигала 45—50%, т.е. в 2—3 раза превы­ шала пористость обычного агломерата. Восстанови­ мость металлизованного агломерата близка к обычной, но количество кислорода, связанного с железом, в нем намного меньше обычного. Температура начала размяг­ чения металлизованного агломерата на 80— 100° С ниже, чем у обычного агломерата, при сохранении интервала размягчения на обычном уровне.

Приведенные опыты убедительно продемонстрирова­ ли возможность производства металлизованного агло­ мерата на стандартных лентах. Металлизованный агло­ мерат был получен [103] также из Коршуновского магнетитового концентрата на кузнецком коксисе. Во всех случаях, однако, терялась почти половина производи­ тельности аглоустановок, что снижает ценность новой технологии.

В 1969— 1971 гг. в лабораториях МИСиСа были про­ ведены опыты ускорения спекания металлизованного аг­ ломерата, которые показали что озернение шихты, по­ дача кислорода в спекаемый слой, двухслойное спека­ ние позволяют лишь несколько интенсифицировать процесс спекания, в то время как использование высо­ кого давления над слоем повышает производительность в 2,3 раза. Давление усиливает также эффект металли­ зации при равном расходе топлива. Преимущества тех­ нологии спекания под давлением являются очевидными. Попытки двухзонного спекания по способу И. Николае­ ва при подаче обогащенного кислородом воздуха к аг­ ломерируемому слою окончились неудачно, так как нижняя зона горения немедленно гасла после зажига­ ния верхней зоны горения твердого топлива. Учитывая большой расход коксовой мелочи на спекание, исполь­

87

зование способа И. Николаева при получении металлизованного агломерата не имеет перспективы.

Интересен также вопрос о возможности снижения расхода твердого топлива при производстве металлизованного агломерата.

В 1959 г. Б. Маринчеком, К- Майером, Г. Раушем, Г. Хайтманом (патент ФРГ, кл. 18а, 1/08, № 1243218, 18 июля 1959 г.) был предложен способ повышения сте­ пени металлизации агломерата при спекании. Способ предусматривает просасывание продуктов сжигания га­ за, не содержащих кислорода через спекаемый слой толщиной 200 мм в течение первых 7 мин процесса. Со­ держание углерода в шихте составляет 25%• Вторая половина спекания (7 мин) ведется с просасыванием воз­ духа через слой и выгоранием большей части твердого топлива. Однако рекомендуемая температура продук­ тов горения газа (900—1100° С) представляется слиш­ ком низкой; за 7 мин удается прогреть слой шихты тол­ щиной не более 5— 10 см, и только в этом слое металли­ зация усилится. Очевидно, что правильнее использовать пламя газовых горелок с целью снижения расхода твер­ дого топлива при сохранении постоянной, оптимальной степени металлизации. Проведенные расчеты показыва­ ют, что при эффективном использовании газа, сжигае­ мого над спекаемым слоем, расход твердого топлива мо­ жет быть сокращен на 30—40%, т. е. до 12— 14%.

Оптимальная расчетная степень металлизации агло­ мерата близка к 40%. Получение агломерата с еще большим содержанием металла связано с огромным рас­ ходом дефицитной коксовой мелочи, опасностью взрыва аглоустановок (расход топлива более 25—30%) и низ­ кой степенью использования восстановительной энергии газов в доменной печи. Эффективность металлизации агломерата для доменного производства очевидна, так как каждым 10% металлизации соответствует экономия 5 6% кокса в доменных печах при одновременном уве­ личении производительности печей в среднем на 5%.

6. РЕАКЦИИ МЕЖДУ ТВЕРДЫМИ ФАЗАМИ

Нагрев шихтовых материалов продуктами горения углерода создает благоприятные условия для химичес­ кого взаимодействия между твердыми фазами, состав­

88

ляющими в совокупности вещество шихты. Взаимное расположение частиц в любом микрообъеме шихты вхо­ де процесса спекания остается практически неизменным вплоть до полного или частичного расплавления твер­ дой фазы. Таким образом, каждая частица имеет воз­ можность реагировать только с непосредственно окру­ жающими и контактирующими с ней частицами. Так, при агломерации криворожской руды с добавкой изве­ сти число контактов между частицами извести и Fe20 2 значительно превышает число контактов между изве­ стью и кварцем. Следовательно, несмотря на то, что хи­

взаимодействия СаО с Fe20 3 и большая скорость этой реакции в твердой фазе.

Нагрев шихтовых материалов от 500 до 1500° С осу­ ществляется при спекании методом просасывания за весьма короткий промежуток времени — обычно менее чем за 3 мин. Поэтому наибольший интерес для теории агломерации представляют экспериментальные данные о ходе реакций между твердыми фазами в начальной стадии их взаимодействия.

Установлено, что в твердой фазе идут только экзо­ термические химические реакции. Другая специфичес­ кая особенность реакций в твердой фазе заключается в том, что в качестве первичного продукта реакции между двумя данными веществами во всех случаях образует­ ся одно и то же соединение, состав которого часто не соответствует соотношению концентраций реагирующих веществ.

Зональная структура контактной области возникает, таким образом, не сразу, а лишь после длительной вы­ держки. Окончательное выравнивание концентраций с получением конечного продукта, состав которого отве­ чает массе реагирующих веществ, в большинстве слу­ чаев требует весьма продолжительного времени.

В качестве практического примера рассмотрим схе­ му взаимодействия СаО с S i02 в твердой фазе при из­ бытке кремнезема. Ход этой реакции был подробно ис­ следован в 1934 г. В. Яндером и Е. Гофманом [104]. Не­ смотря на значительный избыток кремнезема, первым продуктом реакции в контактной зоне при 1000° С в воз-

89