2.4. Применение пыли сухих газоочисток при производстве ферросиликомарганца

2.4.1. Характеристика основных способов окускования пылевидных материалов

В настоящее время для окускования пылевидных материалов (основная фракция -0,074мм) используют два способа: окомкование (получение окатышей) и брикетирование.

2.4.1.1. Брикетирование

В последние годы проявляется большой интерес к окускованию марганцевых концентратов методом брикетирования. Проведенные опыты [12] показали, что скорость процесса восстановления мелких частиц руды, находящихся в тесном контакте с восстановителем в брикете, очень высока. В процессе брикетирования в каждом элементарном объеме брикета находятся все необходимые для протекания процесса восстановления компоненты. Газопроницаемости шихты хорошая, а высокое удельное электрическое сопротивление даёт возможность вести процесс плавки при глубокой посадке электродов.

Подготовка шихты методом брикетирования позволяет значительно расширить гранулометрический состав шихтовых материалов по сравнению с окатыванием. Прочные сырые, а обожженные брикеты можно получить при крупности концентрата 5—0 мм, тогда как для окатывания необходимо иметь крупность концентратов, 0,16—0 мм. Таким образом, при применении брикетирования появляется возможность использования марганцевых концентратов гравитационно-магнитного обогащения.

Проведенные ДМетИ совместно с Запорожским и Никопольским заводами ферросплавов исследования [13] показали преимущества окускования шихты методом брикетирования по сравнению с агломерацией. Шихта для брикетирования состояла из смеси Никопольских марганцевых концентратов I и II сортов фрак­ции 3—0 мм, речного песка, угля , фракции 5—0 мм и смеси битума и мазута. Кроме того, в состав шихты вводили раствор сульфитно-спиртовой барды плотностью 1,15 г/см³ в количестве 15% от веса шихты. Шихту перемешивали и подогревали до температуры 50—60°С в смесителе, обогреваемом паром. Брикеты из­готовляли на вальцевом прессе производительностью 5 т/ч при давлении прессования 500 кг/см².

Исследованиями [12] было показано, что механическая прочность и термостойкость сырых брикетов выше, чем обожженных. Сравнительные плавки ферросиликомарганца в электропечи мощностью 1200 кВт, проведенные с использованием необожженных брикетов, кусковой шихты и агломерата показали, что извлечение марганца при применении брикетов на 7% выше, чем в случае применения кусковой шихты, и на 10% — агломерата. Расход электроэнергии при выплавке 1 т ферросиликомарганца из бри­кетов на 420 кВт·ч ниже, чем из агломерата.

Приведенные выше результаты исследовательских работ показывают, что брикетирование шихты перед электроплавкой имеет существенное преимущество перед другими методами подготовки. Внедрение брикетирова­ния в промышленных масштабах, безусловно, повысит технико-экономические показатели процесса выплавки марганцевых сплавов в электропечах.

2.4.1.2. Окатывание

Окатывание наиболее целесообразно применять для окускования тонкодисперсных материалов, чтобы содержание фракции –0,05мм составляло не менее 50%.

Обжиговый метод получения окатышей предусматривает сушку при 120-150⁰С и их обжиг при 1150-1220⁰С. При этом образуется жидкая фаза, цементирующая компоненты окатыша. Сопротивление раздавливанию составляет 39,2-78,4 Н на окатыш. В настоящее время разработан безобжиговый метод получения окатышей из флотационных и др. концентратов, при котором упрочнение окатышей диаметром 12-15мм достигается низкотемпературной сушкой [14].

Институтом металлургии им. А.А.Байкова проведены опыты по разработке технологии изготовления рудоугольных марганцевых окатышей [15]. Марганцевый концентрат, газовый уголь (10%) и коксик предварительно сушили до влажности 2% при 120-150⁰С. Затем шихтовые материалы подвергали помолу в шаровой мельнице и окатывали с использованием связки (водного раствора сульфитно-спиртовой барды). Шихту окомковывали на грануляторе с диаметром чаши 1000мм. Как рудные, так и рудоугольные окатыши упрочняли сушкой при 120-150⁰С.

Промышленный опыт окатывания марганцеворудного сырья имеют ряд зарубежных фирм, производящих марганцевые ферросплавы. На заводе «Касима» (Япония) для выплавки ферромарганца в печи мощностью 40 МВА. Марганцевый концентрат окусковывают на окомкователе производительностью 110 т/ч, а затем обжигают во вращающейся печи диаметром 3,5м и длиной 75м.

В мировой практике на фабриках применяют несколько вариантов производства сырых окатышей, которые отличаются способами подготовки шихты к окомкованию. Технология окомкования состоит из двух основных операций: собственно окатывания с получением сырых окатышей и упрочнения окатышей за счет их сушки, обжига или водо-тепловой обработки. Механизм образования сырых окатышей заключается в том, что масса шихты, увлажненная до оптимального содержания влаги, пересыпаясь при вращении окомкователя, образует небольшие комочки шихты округлой формы. Влажность и пористость этих комочков в начальный период их образования еще велики, поэтому они не прочны. В дальнейшем при движении материала в окомкователе избыточная влага комочков выдавливается на их поверхность, а прочность увеличивается, и они постепенно превращаются в окатыши необходимой крупности (10-25 мм). Окатыши формируются под действием сил поверхностного натяжения воды, направленных от их поверхности к центру и развивающих большое капиллярное давление в тонких порах или капиллярах между частицами окатыша. Сырые окатыши направляются на обжиг.

Рис 2.1 - Технологическая схема получения окатышей

Для получения сырых окатышей на промышленных предприятиях используют барабанные и тарельчатые (чашевые) окомкователи.

Барабанные окомкователи (рис. 2.2) состоят из следующих основных узлов: цилиндрического пустотелого барабана 5, на который крепятся бандажи 1, опирающиеся на опорные ролики 2. В осевом направлении барабан фиксируется упорным роликом.

Роликоопоры и привод установлены на раме 4, один из концов которой закреплен на шарнире, а второй поднимается или опускается, образуя необходимый угол наклона. Барабан вращается через укрепленный на нем зубчатый венец 3. Привод 6 состоит из электродвигателя, двухступенчатого редуктора и промежуточного вала с подвенцевой шестерней. Для лучшего удержания налипшего слоя шихты (гарнисажа) внутренняя поверхность барабана покрывается сеткой, на которую наносят слой бетона (30-40 мм). При работе окомкователя гарнисаж может обваливаться, например, при избытке влаги, образуя неровности, что нарушает процесс и ухудшает качество сырых окатышей. Устойчивости гарнисажа способствуют соблюдение оптимальных условий подготовки шихты (влага, фракционный состав) и упрочняющие присадки.

Рис 2.2 - Устройство барабанного окомкователя

Очистное устройство 8, предназначенное для поддержания плотного постоянного слоя гарнисажа, состоит из балки с резцами и приводом. Балка устанавливается внутрь барабана вдоль его образующей на двух шарнирных подвесках и крепится на портал на раме окомкователя. Резцы обычно крепятся в шахматном порядке. В некоторых конструкциях окомкователей барабанного типа во время вращения барабана от резцов остаются на поверхности гарнисажа синусоидальные канавки, обеспечивающие более высокую интенсивность движения комкуемого материала, повышение производительности и улучшение качества окатышей. Привод очистного устройства состоит из кривошипно-шатунного механизма, который придает балке возвратно-поступательное движение, электродвигателя и редуктора. Для увлажнения шихты при окомковании в барабане на портале очистного устройства смонтировано шесть форсунок, к которым водопроводом 9 подается вода. На разгрузочном конце барабана имеются спиральные прорези 7, обеспечивающие равномерное распределение сырых окатышей по ширине контрольного грохота.

На контрольном грохоте надрешетный продукт (12-20 мм) представляет собой кондиционные окатыши, а подрешетный возвращается на повторное окомкование. Некондиционные мелкие окатыши, возвращаемые на повторное окомкование, называются циркуляционной нагрузкой, и их количество обычно составляет ~ 400 % от количества годных окатышей.

Основные технические данные барабанных окомкователей приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2 - Техническая характеристика барабанных окомкователей

Показатель	I	II	ІІІ	IV
Производительность, т/ч	40	100	90-100	200
Диаметр барабана, м	2,8	3,6	3,6	4,5
Длина барабана, м	11,0	10,0	14,0	12,5
Угол наклона, град	3-6	7-9	3-6	7-9
Частота вращения, мин-1	8-12	8-12	8-12	5-11
Ход балки очистного устройства, м	0,15	0,25	0,25	0,25
Мощность электродвигателя, кВт.	90	110	150	175
Масса, т	84,8	107,0	100,0	220,0

На зарубежных фабриках размеры барабанных окомкователей почти унифицированы (диаметр 3,0-3,6 м, длина 9,75-10,00 м). Наибольшее число барабанных окомкователей (36) установлено на Соколовско-Сарбайском ГОКе.

Тарельчатые (чашевые) окомкователи представляют собой плоский металлический диск с бортами, расположенными под некоторым углом к горизонту. Эти окомкователи имеют ряд преимуществ: более простую конструкцию, меньшие габариты и металлоемкость; более высокую производительность 1 м² поверхности гранулятора по сравнению с барабанными; отсутствие операций по контрольному грохочению сырых окатышей. Отсутствие этих операций объясняется тем, что вследствие особого характера движения материала в этом окомкователе из него выходят только кондиционные окатыши нужного фракционного состава.

Чашевый окомкователь (рис. 2.3) состоит из чаши 1 сварной конструкции.

Рис 2.3 - Общий вид чашевого окомкователя

Для лучшего образования и сохранения гарнисажа внутренняя поверхность чаши покрывается сеткой или слоем бетона. Чаша крепится к опоре зубчатого венца 2, который вместе с чашей устанавливается на вал 3 рамы чаши и закрепляется при помощи болтовых соединений и торцевой крышки 4. Рама чаши соединяется со станиной 5 шарнирами 6, которые позволяют регулировать угол наклона чаши.

Поворот окомкователя на опорной раме осуществляется гидродомкратом 7. На окомкователе крепится разгрузочный лоток для перегрузки окатышей из чаши на конвейер. Для поддержания гарнисажа необходимой толщины используется очистное устройство, состоящее из двух стоек, закрепленных на опоре чаши, и балки коробчатого сечения. Очистные ножи установлены на держателях, крепящихся к балке. Крепление держателей выполнено таким образом, что позволяет их поворачивать относительно горизонтальной оси чаши на необходимый угол. С целью повышения долговечности кромки очистных ножей снабжены пластинами из твердых сплавов. Для обеспечения процесса окомкования на шихту подается вода из форсунок 8 с индивидуальными вентилями, обеспечивающими регулировку подачи воды.

Привод чаши, установленный на раму, состоит из открытой зубчатой передачи 9, электродвигателя, редуктора, тахогенератора и тормоза. В средней части рамы находится вал, на котором крепится чаша.

Основные технические данные тарельчатых окомкователей приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 - Техническая характеристика тарельчатых окомкователей

Показатель	I	II	ІІІ
Производительность, т/ч	30-40	80-90	100-120
Диаметр чаши, м	5,5	7,0	7,5
Высота борта чаши, м	0,80	0,80	0,65
Частота вращения чаши, мин-1	6-9	3,6-6,5	4-7
Угол наклона чаши, град	45-55	45,60	45-55
Мощность электродвигателя привода чаши, кВт.	95	120	110
Масса окомкователя, т	39,8	57,2	56,0

На зарубежных фабриках тарельчатые окомкователи имеют диаметр 6,0-7,6 м при средней производительности 50-80 т/ч.

Режим работы окомкователей. Под режимом работы окомкователей понимают характер движения материала и время пребывания его в барабане (тарели) окомкователя. Общая схема движения сыпучего материала во вращающихся барабанных окомкователях, работающих в непрерывном режиме, может быть представлена в следующем виде. При вращении барабана сыпучий материал поднимается на некоторую высоту, а затем под действием массы скатывается вниз. Из-за наличия разности уровней материала на концах барабана скатывающаяся шихта одновременно перемещается вдоль его оси к разгрузочному концу. Подобные циклы повторяются многократно, обеспечивая рост комков и выход из барабана готовых окатышей. Из различных типов движения сыпучего материала в поперечном сечении вращающихся барабанных окомкователей (рис. 2.4) наибольший интерес представляет движение в режиме переката и водопадном.

Траектория движения «зародыша» в тарельчатом окомкователе: 1 – подача шихты; 2 – выгрузка готовых окатышей

Рисунок 2.4 – Режимы работы окомкователя.

Режим переката возникает в барабанных окомкователях с шероховатой поверхностью и относительно невысокой скоростью вращения, а водопадный – при более высоких скоростях. Окомкование шихты происходит в том случае, если мелкие комки-зародыши перекатываются по слою мелких частиц. Последние постепенно налипают на поверхность зародышей, которые увеличиваются в размерах. Время пребывания шихты в барабане-окомкователе увеличивается с уменьшением угла наклона оси вращения, с увеличением длины и скорости вращения барабана (в пределах режима переката).

Увеличение угла наклона барабана приводит к возрастанию объема циркуляционной нагрузки, т.е. образованию некондиционных мелких окатышей, возвращаемых в процесс. При увеличении скорости вращения барабана окатыши поднимаются на большую высоту, интенсивность их движения в слое возрастает и они уплотняются сильнее. При повышении влажности шихты, для сохранения нагрузки на окомкователь, следует увеличить угол наклона или снизить скорость вращения барабана с таким расчетом, чтобы размер сырых окатышей оставался без изменений.

При уменьшении влажности, наоборот, следует уменьшить угол наклона и увеличить скорость вращения барабана. Аналогичные зависимости существуют и для шихт, имеющих отклонения от оптимального фракционного состава. Так, например, для сохранения необходимого размера окатышей в случае поступления на окомкование более тонкой шихты нужно снизить скорость вращения и увеличить угол наклона барабана.

Производительность барабанных окомкователей определяется по удельной производительности, которая по практическим данным равна 0,85 т/(м² • ч).

Окружная скорость барабана определяется по следующей формуле:

где R — радиус барабана, м; η — частота вращения барабана, мин^-1.

Объем барабана определяется по формуле:

где D и L — соответственно диаметр и длина барабана, м.

Производительность определяется по следующей формуле:

где Q_уд — удельная производительность, т/(м³ • ч); V — объем барабана, м³.

Другой характер движения материала наблюдается при работе тарельчатого окомкователя. Комочки различной крупности движутся по своим, строго определенным траекториям. Подготовленная шихта подается во вращающийся окомкователь, постепенно укрупняясь. Укрупненная шихта поднимается почти до верхнего края тарели, а затем, под действием силы тяжести, отрываясь от борта и ссыпаясь вниз, образует мелкие комочки (зародыши окатышей). При последующих циклах эти мелкие комочки отрываются от борта тарели все раньше и раньше, так как при укрупнении уменьшается их коэффициент трения качения. При дальнейшем движении происходит процесс разделения окатышей по фракционному составу, причем более крупные собираются на поверхности и сходят с тарели, "выжимаясь" непрерывно поступающей в окомкователь шихтой. Если скорость вращения тарели недостаточна, то более крупные окатыши отрываются от борта и скатываются вниз, не достигнув кондиционных размеров. Если же скорость вращения тарели выше оптимальной, то окатыши могут достигать размеров, превышающих кондиционные. Для сохранения заданного размера окатышей и производительности окомкователя в случае увеличения влажности шихты необходимо уменьшить скорость вращения тарели и увеличить угол ее наклона.

Диаметр чаши окомкователя можно рассчитать по следующей формуле

где Q — производительность окомкователя, т/ч; Q_у — удельная производительность; Q_y = 2,5 т/(м² • ч) по В.И. Бессарабу. По этой же формуле, зная диаметр чаши, можно определить производительность окомкователя.

Объем шихты в чаше можно определить по формуле

где F — площадь сечения шихты в чаше, м²; R — радиус вращения центра тяжести шихты, м; β — угол подъема шихты в чаше (в расчетах принимается равным 140 °).

Частота вращения чаши рассчитывается по следующей формуле

где ω — окружная скорость чаши, определяемая в зависимости от величины ее диаметра, м/с; R₁ — радиус чаши, м.