книги / Металлургия черных и цветных металлов

происходит дегидратация, декарбонизация материалов, частично восстанавли­ ваются оксиды. Подогретая шихта под зажигательным горном быстро зажи­ гается. Интенсивно горит топливо в быстро перемещающейся зоне горения при малом расходе топлива (до 2 %).

Формирование состава и качества агломерата и технико-экономические данные его производства

Современные агломашины насыщены контрольной и управ­ ляющей аппаратурой. Зная количество отходящих газов и не­ прерывно определяя их влажность при помощи литий-хлорито- вых датчиков измерительного блока, вычисляют количество влаги и влажность газов. По разности с оптимальной влажно­ стью автоматически корректируют подачу воды. По определе­ ниям количества газа, содержания в них С02 и СО рассчиты­ вают количество сгорающего углерода на ленте в единицу времени и непрерывно автоматически корректируется расход топлива в шихте.

Ухудшение качества агломерата и наибольший брак вызы­ вают появление недопала (недоспеченный агломерат), поэтому непрерывен контроль условий спекания, чтобы предупредить появление недопала. Недопал на аглоленте выявляется непре­ рывно или периодически работающей автоматической установ­ кой. В головной части и хвосте ленты установлены источники радиоактивного излучения. Аглошихта поглощает у-лучи лучше агломерата, по степени ослабления лучей можно судить о за­ вершении агломерации.

В рудных материалах иногда в больших количествах содер­

быть у минералов, в кристаллическую решетку которых вхо­ дят группы ОН, но и они отдают влагу при 300—450 °С.

В условиях агломерации разложение карбонатов происхо­ дит сложнее, чем представляет стехиометрия приведенных ре­ акций; реакции могут происходить с одновременными процес­ сами образования твердых, жидких растворов, плавлением, кристаллизацией и т. д. Разложение карбонатов при агломера­ ции протекает за 1—3 мин. За короткое время остатки извести и продукты реакций в твердом состоянии должны раствориться

в расплаве. Для обеспечения этого необходимо измельчение из­

вестняка до <2 рлм.

При спекании протекают восстановительные реакции. Вос­ становителем служит прежде всего монооксид углерода, кон­ центрация которого вблизи горячих частиц топлива велика. Здесь протекают процессы восстановления магнетита и вю-

до Fe30 4 монооксидом углерода. Взаимодействие твердого угле­ рода с оксидами железа идет через газовую фазу по схеме:

FeO + СО —Fe + С02 С02 + С —2СО

FeO + C = Fe + CO

Взоне горения возможно прямое восстановление желези­ стого расплава горящими частицами коксовой мелочи. Темпе­ ратурный уровень процесса спекания зависит от расхода топ­ лива. С расходом топлива увеличивается количество микро­ объемов шихты, в которых преобладает восстановительная атмосфера. Если шихта состоит главным образом из гематита, то при содержании 5—7 % С в агломерате присутствует магне­ тит и появляется вюстит. При 10 % С в шихте агломерат содер­ жит 1—2 % Fe. Дальнейшее увеличение расхода топлива позво­ ляет получить металлизованный агломерат.

Взоне подогрева шихты и горения топлива значительное

развитие получают реакции между твердыми частицами шихты. В этом случае большое значение имеет число контак­

ная шихта состоит из гематита, извести и кварца. Химическое

роли. Масса шихты состоит из частиц гематита, число частиц СаО и Si02 очень мало, соответственно между ними мало кон­ тактов, поэтому в твердой фазе образуются главным образом ферриты кальция. Образование феррита кальция в магнетито-

вится до Fe30 4. Другими словами, образованию фаялита в твер­ дой фазе способствует восстановительная атмосфера. В офлю­ сованных шихтах наибольшее число контактов приходится на СаО и Fe20 3l кроме того, реакция между СаО и Fe20 3 идет быстрее других реакций, протекающих в твердой фазе. Таким образом, в офлюсованной шихте в твердых фазах идет преиму­ щественное образование ферритов кальция.

При соприкосновении расплава с поступающим воздухом происходит кристаллизация расплава, в ходе которой форми­ руется конечная структура готового алгомерата. При спекании неофлюсованной шихты гематитовых руд с кварцевой пустой породой происходит кристаллизация расплава системы магне­

При большой скорости охлаждения расплава атомы (ионы) не успевают занять свои места в строящейся кристаллической решетке. Магнетит частично успевает кристаллизоваться. Рас­ плав застывает в виде аморфного железистого стекла. При нормальном расходе углерода спекание неофлюсованной шихты дает готовый агломерат из крупных кристаллов магнетита, фа­ ялита и железистого силикатного стекла; последние два явля­ ются связкой, определяющей прочность куска агломерата. С увеличением расхода топлива усиливается процессы восста­ новления и диссоциации оксидов. Магнетит постепенно усту­ пает место вюститу, а потом металлическому железу. Готовый, годный агломерат состоит из магнетита, вюстита, фаялита, стекла, небольшого количества остаточного кварца и гематита.

В офлюсованном железорудном агломерате из руд с крем­ нистой пустой породой при основности CaO/SiO2<0,5 интен­ сивно образуются силикаты и особенно ферриты кальция. Го­ товый агломерат основностью до 0,5 состоит из магнетита, кальциевого оливина, не содержит ни свободных силикатов кальция, ни ферритов кальция в виде отдельной фазы. Высо­ кая скорость охлаждения расплава приводит к образованию большого количества стекла.

В офлюсованных агломератах с основностью CaO/Si02= 0,5-М,0 количество СаО в расплаве существенно увеличива­ ется. Известь связывает в силикаты все больше Si02, и все меньше Si02 входит в фаялитовые группировки. Содержание СаО в кальциевом оливине растет с увеличением основности. Когда основность превышает 0,5, кальциевый оливин не мо­ жет растворить всю известь шихты и часть ее кристаллизуется в виде силикатов кальция.

Готовый агломерат с основностью 0,5—1,0 содержит магне­ тит, насыщенный известью кальциевой оливин, силикаты каль­

ция СаЭЮз, Ca2Si04 и стекло.

В офлюсованном агломерате из руд с кремнистой пустой породой при основности CaO/Si02=0,5-=-1,0 конечная струк­ тура не содержит ферритов кальция, хотя перед плавлением шихты их было много. В агломератах с основностью >1,0 по­ сле полного распада ферритов кальция, образовавшихся ранее в больших количествах в твердой фазе, происходит перераспре­

деление извести. Наиболее устойчивой оказывается группи­ ровка двухкальциевого силиката. Извести в расплаве настолько много, что Si02 шихты нехватает для перевода всей извести в силикаты. Не остается избытка Si02 для образования Fe2Si04, избыток СаО в расплаве при кристаллизации дает с оксидами железа ферриты кальция.

Повышение расхода углерода увеличивает степень восста­ новления шихты, в этом случае основу агломерата составляют гематит и магнетит, а при еще больших расходах топлива мо­ жет быть получен агломерат с вюститной основой. Окисление офлюсованного агломерата обычно выше, чем неофлюсованного. Присутствие глинозема меняет состав силикатной связки и благоприятно влияет на прочность агломерата. При высоком расходе углерода получается агломерат с вюститной основой и увеличивается количество металлического железа. При наме­ ренном восстановлении оксидов до железа получают металлизованный агломерат.

При агломерации можно удалить 97—98 % содержащейся в шихте серы. Все сульфиды успешно диссоциируют при отно­

Диссоциация облегчается при повышенном измельчении ма­ териала. Пирит окисляется до начала диссоциации, начиная с 285 °С:

4FeS2+110, = 2Fe20 3+ 8S02.

При температурах >1383 °С пирит окисляется с образованием магнетита:

3FeS2+ 802 = Fe30 4+ 6S02.

Возможно окисление сульфидов шихты высшими оксидами же­ леза:

FeS2+ 16Fe20 3 = 11 Fe30 4+ 2S02; FeS + 10Fe2O8= 7Fe30 4+ S02.

Окислению S02 до SO3 способствуют катализаторы — ок­ сиды железа и гематит. Серный ангидрид усваивается известью с образованием сульфата S03 + Ca0 = CaS0 4. Развитие этой реакции, как и образование сульфида кальция CaS, при офлю­

сованной шихте крайне не желательны при спекании железо­ рудного сырья.

также непрерывно с возвратом отсева. Производительность установки 100 т/ч.

Тарельчатые окомкователи представляют собой вращающи­ еся диски с диаметром 6—8 м, наклоном оси вращения на 30— 35° Загрузка слегка увлажненного концентрата на диск не­ прерывная, транспортером. Концентраты и образующиеся ока­ тыши непрерывно орошаются водой. Увлажненные мелкие зерна, начав двигаться по поверхности слоя пылеватых мате­ риалов, укрупняются, и начинается накатывание шариков. Сна­ чала мелкие комки концентрически перемещаются в центре диска, с укрупнением амплитуда их движения становится больше. Под действием центробежных сил окатыши прижима­ ются к борту и, достигнув необходимого размера, перевалива­ ются через него. Готовые сырые окатыши скатываются в коль­ цевой желоб, где их поверхность может покрызаться порошком угля или антрацита. Производительность тарельчатого окомкователя до 90 т/ч.

На Лебединском ГОКе работают чашевые окомкователи, отличающиеся от тарельчатых лишь высокими коническими бортами. Окомкованию подвергают тонкие концентраты, ча­ стицы которых имеют размеры не более 74 мкм. Чем мельче и богаче железом исходный материал, тем больше прочность сы­ рых и обожженных окатышей, так как слипание повышается с увеличением удельной поверхности исходных зерен, а с уве­ личением плотности возрастает упрочнение. Удельная поверх­ ность должна быть 1300—1500 см2/г. Вода необходима для

уровне ±0,2% . В шихту дают связующие добавки, это пре­ жде всего 0,5—1,0% бентонита (мелкодисперсная глина), Na(OH), Na2C03, NaCl, крахмал, жидкое стекло. Комкуемость повышают микродобавками поверхностно активных веществ: полиакриламида, железного купороса, сульфитного щелока, гумата натрия.

Сырые окатыши подвергают сушке и упрочняющему об­ жигу при 1300—1400 °С. При обжиге возникает взаимодейст­ вие между твердыми частицами материалов окатыша, в резуль­ тате появляется расплав и происходит жидкофазное спекание.

фазы в теле окатыша возникает сеть узких, разветвленных ка­ налов, заполненных расплавом. В ходе кристаллизации созда­ ется структура силикатного скелета окатыша, упрочняющего его. Прочные окатыши получаются из материалов, содержащих не менее 3—4 % Si02. Поэтому чрезмерно богатые концент­

раты из-за малого содержания Si02 не могут дать необходи­ мого количества расплава, и из них получаются малопрочные окатыши. Упрочнению, особенно если в исходной шихте недо­ статочно силикатов, способствует окисление магнетита, проте­ кающее с большой скоростью. Окисление происходит по гра­ ницам зерен, создает срастание зерен, образуя гематитовые мостики, играющие роль скелета окатыша. В результате уп­ рочняющего обжига при массовой доле связки 20—25 % обе­ спечивается максимальная прочность на раздавливание обож­ женного окатыша 1,96—3,00‘кН/окатыш.

При обжиге окатышей расплавляется лишь 10—30 % массы окатыша, поэтому большую часть окатыша составляют исход­ ные вещества, преобладают гематит, образовавшийся при окис­ лении первичного магнетита в твердой фазе, остатки первич­ ного магнетита и силикатная связка.

В настоящее время распространено производство офлюсо­ ванных окатышей, для их получения в шихту добавляют из­ весть. При обжиге с добавкой извести происходит интенсивное образование расплава, выходящего на поверхность окатыша. В результате этого окатыши слипаются и свариваются, чем нарушается технология и происходит деформация окатышей.

-т-5. Эту шихту окомковывают на высокбосновное ядро. Обра­ зовавшийся полуфабрикат (ядро) переносят во второй окомкователь, в котором продолжают комкование на шихте без из­ вести. В результате такой технологии в упрочняющем обжиге получают прочные офлюсованные окатыши, расплав в которых создается в объеме окатыша, исключаются слипание и сраста­ ние окатышей.

Обжиг окатышей может осуществляться в шахтных печах. Рядом с шахтой располагают две камеры горения, в которых сжигают газ. Продукты сгорания вводят в шахту на уровне 'Д высоты сверху. Верхняя часть является зоной подогрева, зона обжига располагается в средней части, а в нижней чет­ верти— зона охлаждения. Температура в зоне обжига дости­ гает 1300—1340 °С. К печам пристраивают охладительные ка­

риваемость окатышей. Наибольшая производительность печи составляет 1000—1100 т/сут. В СССР окатыши в шахтных пе­ чах не обжигаются, в то время как в мире доля обожженных окатышей в шахтных печах достигает 16%.

Второе место в мировом производстве окатышей занимают комбинированные обжигательные установки, в которых обжи­ гают 31,2% асех окатышей. В .этих установках высокотемпера­ турный (1310—1370 °С) обжиг ведут в футерованной вращаю-

щейся трубчатой печи, обогрев которой осуществляется с раз­ грузочного конца мощными форсунками или газовыми горел­ ками. Продукты сгорания покидают печь при 1000 °С. Отхо­ дящие газы собираются и переходят в головную часть конвей­ ера, и в зоне сушки — нагрева на конвейерной ленте проходят слой сырых окатышей сверху вниз. В СССР две такие уста­ новки работают на Днепровском ГОКе.

Преобладающую долю окатышей (в мире 52,1 %) и еще большую долю произведенных в СССР обжигают на конвей­ ерных машинах, напоминающих аглоленту. На колосники те­ лежек шириной 2—4 м укладываются сырые окатыши слоем 250—300 мм, проходят сушку горячими газами, предваритель­ ный подогрев, высокотемпературный обжиг, охлаждение. В Со­ ветском Союзе работают обжиговые конвейерные машины с площадью обжига (активной площадью) 108, 306, 520 и 780 м2. Сырые окатыши обогреваются и обжигаются газовыми горелками и газо-мазутными форсунками сверху.

Рассмотрим, как движутся окатыши во время обжига на конвейере с площадью спекания 108 м2 (рис. 1.18). Сначала окатыши проходят зону сушки (12 м2), где их слой высотой 250 мм продувается снизу вверх рекуперированными горячими

просасываются сверху вниз. Нагретые газы отправляются в пер­ вую зону, где ими сушат и подогревают окатыши, продувая их слой снизу вверх. Последний участок — зона охлаждения — со­ стоит из двух секций по 20 м2, на них продувается снизу вверх холодный воздух, из первой, секции охлаждения нагретый воз­ дух подается в зону обжига для сжигания горючего. Средняя удельная производительность подобной ленты по данным 6 ве­ дущих заводов, ~0,90 т/(м2-ч), т. е. возможная годовая произ­ водительность обжиговой ленты 650—750 тыс. т обожженных окатышей. Аппараты комкования, грануляторы и обжигатель­ ную ленту связывают в единую технологическую линию. Срав­ нение технико-экономических данных бесспорно показывает, что аглоленты работают производительнее и экономичнее по всем показателям, чем ленты для обжига окатышей. Однако ока­ тыши имеют два преимущества. Первое состоит в том, что производство окатышей специфично для окускования очень тонких порошков (<74 мкм). Второе преимущество в том, что холодная прочность обожженных окатышей намного выше, чем кусков агломерата. В связи с последним аглофабрики пред­ почтительно строить около металлургического завода и еще лучше на территории завода или вблизи доменного цеха. Стро­ ительство фабрики окатышей можно предпочесть, если необхо­ димо окускованные рудные материалы транспортировать на далекие расстояния.

При обжиге окатышей из гематитового концентрата упроч­ нение связано со спеканием частиц концентрата, в этом случае размеры частиц увеличиваются вследствие перемещения гра­ ниц зерен, а также за счет образования связки. Из концентрата

тивно, как и агломерата. На ряде доменных печей США дли­ тельное время использовали 50 % окатышей в шихте. Замеча­ ется тенденция снижения доли агломерата при выплавке чу­ гуна в связи с ростом производства окатышей, так в США окатыши предпочтительнее агломерата.

Применение металлизованных окатышей преследовало даль­ нейшее повышение эффективности доменного производства, при этом справедливо предполагалось, что перенесение восста­ новления оксидов железа на обжиг окатышей сделает домен­ ную плавку эффективнее. Ряд заводских исследований пока­ зал, что повышение содержания железа в окатышах на каж­

дые 10 % снижало расход кокса в доменной печи от 5 до 9 % и увеличивало производительность от 4 до 7%. Наверное, на этом основании сложилось мнение о необходимости степени металлизации окатышей 70 и даже 85%. Однако при такой степени металлизации чрезмерно возросшие расходы не окупа­ ются интенсификацией доменного процесса, а в последнем газы уходят из печи с неиспользованной восстановительной способ­ ностью.

Рациональная степень металлизации окатышей для домен­ ного процесса 30—50 %. В этом случае из доменной печи ча­ стично выносится прямое восстановление, а следовательно, на него не тратится углерод кокса и в доменной печи экономится ~50 % дорогостоящего кокса. Все же процессы восстановле­ ния за счет газов проходят в доменной печи. Прямое восста­ новление же в окатышах на обжигательной ленте происходит благодаря более дешевому углеродоносителю (уголь, угольная, антрацитовая пыль).

Высокая степень металлизации (>90% ) требуется, если окатыши являются исходным материалом в производстве стали в электропечах. Это новое для нас производство основано на патенте процесса «Мидрекс» на Оскольском электрометаллур­

лее 3%. Расход электроэнергии 125—135 кВт-ч/т металлизо-

жны содержать не более 5 % пустой породы, а следовательно, железа в концентрате должно быть 69—70 %. Прямое восста­ новление оксидов железа окатышей идет за счет углерода лю­ бого дешевого топлива, но зола его должна плавиться выше температуры прямого восстановления и должна быть чистой от серы и других вредных примесей.

В настоящее время в нашей стране доля подготовленных

ской промышленности того и другого возрастает, особенно с по­ треблением окатышей в сталеплавильном производстве.

Вопросы для самопроверки321

1.Из чего вытекает большое значение подготовки руд для качества, про­ изводительности и экономичности производства металла?

2.Какими видами обогащения руд пользуются в наше время и каковы их технологические схемы?

3.Как меняется структура и состав руды после обогащения?