Тема 3. Подготовка железных руд и техногенного железосодержащего сырья к металлургическому переделу

3.1 Требования к шихтовым материалам процессов выплавки чугуна и производства железа прямого получения. Технологии окускования железорудного и техногенного сырья.

Характерные особенности доменного процесса, а также основных процессов прямого получения железа - Midrex и HyL, а именно протекание процессов теплообмена и массообмена в противотоке между поднимающимися в шахтном агрегате газами и опускающимися твердыми и жидкими материалами определяют требования к физико-химическим свойствам шихтовых материалов для этих процессов. Эти требования касаются крупности, гранулометрического состава, механической прочности в холодном состоянии, прочности в процессе нагрева и восстановления, восстановимости и химического состава. Особенности противоточного массо- и теплообмена в доменных печах определяют специфические требования и к физико-химическим свойствам основного топлива в доменной плавке – кокса.

В свою очередь, технологические особенности процессов бездоменной металлургии чугуна и процессов прямого получения железа в реакторах со взвешенным (кипящим) слоем определяют свои, отличные от других, требования к применяемым шихтовым материалам и топливу (Таблица 7).

Таблица 7. Требование к шихтовым материалам в процессах экстрактивной металлургии железа

Технологический процесс	Содержание железа, %	Крупность, мм	Холодная прочность	Горячая прочность	Восстановимость
Доменный	58-60	15-50	250-300 кг/окатыш		?
Corex	58-60	15-30	250-300 кг/окатыш		?
Hismelt	60-65	0,05-1,0	-	-	-
Finex	60-65	0,5-2,0	-	-	?
РОМЕЛТ	50-65	0,1-50	-	-	-
Midrex	66-69	12-15	300 кг/окатыш		?
HyL	66-69	12-15	300 кг/окатыш		?
Danarex	66-69	12-15	300 кг/окатыш		?
ITmk3	60-65	0,01-0,15	-	-	-
Finmet	66-69	0,5-2,0	-	-	?

3.2 Производство брикетов и технологии брикетирования. Углерод-железооксидные брикеты - энергетический и экологический аспекты.

Образование при добыче железных руд, особенно при добыче рыхлых бурых железняков осадочного происхождения, значительного количества мелочи, потребовало создания технологии окускования железорудной мелочи. Первой такой технологией была технология брикетирования- т.е. технология окускования железорудной мелочи путем ее прессования под давлением с получением брикетов- кусков правильной геометрической формы. Для придания прочности брикетам к руде добавляли различного рода связующие вещества минеральной или органической природы. Развитие технологий обогащения руд потребовало их измельчения и брикетирование не смогло обеспечивать потребности развивающегося доменного производства в окускованном сырье из-за низкой производительности агрегатов брикетирования и недостаточной прочности получаемых брикетов. На смену брикетированию пришла технология агломерации железных руд и концентратов, а затем и технология окомкования или производства окатышей. Однако образование большого количества дисперсных железооксидных отходов, малопригодных или непригодных для их утилизации в составе агломерационной шихты, а также большое негативное воздействие агломерационных выбросов на окружающую среду, инициировали возврат к технологии брикетирования и к ее совершенствованию. В результате появились новые высокопроизводительные технологии брикетирования. В настоящее время для брикетирования дисперсных железооксидных отходов черной металлургии используются три технологии брикетирования:

- вибропрессование;

- прессование в валковых прессах;

- экструзия.

Вибропрессование

Технология вибропрессования заключается в получении брикетов правильной геометрической формы (обычно шестигранные пирамиды) заданного размера (80х80 мм или 45х45 мм) в матрицах на вибростолах. Для производства брикетов готовят тщательно перемешенную, гомогенную, влажную (10-12 %) шихтовую смесь железооксидных материалов, содержащих или не содержащих углерод, углеродсодержащих материалов (при необходимости) и минерального связующего (портландцемент в количестве 8-10 % от массы брикета). Приготовленная шихтовая смесь подается в ячейки матрицы, установленной на поддоне и на вибростоле, до их заполнения. После этого включается вибрация стола на 30-45 секунд, затем содержимое ячеек подпрессовывается сверху пуансонами. В результате вибрации и подпрессовки пуансонами влажная шихтовая смесь в ячейках матрицы уплотняется, образуя брикеты, прочность которых обеспечивает сохранение их формы без нагрузки на них. После этого матрица снимается с полученных в ее ячейках брикетов, брикеты вместе с поддоном снимаются с вибростола и направляются в камеру для упрочняющей влажно-термической обработки при температуре 80 ^оС в течение 24 часов. Упрочнение брикетов происходит за счет образования цементного камня из кальций-алюмо-гидросиликатов, который связывает частицы железооксидных и углеродсодержащих материалов. Производительность линий вибропрессования составляет от 1 до 20 тонн в час. Технологическая схема линии вибропрессования представлена на рис. 11.

Полученные брикеты имеют высокую прочность на раздавливание (5 МПа), практически не образуют мелочи при транспортировке и перегрузках и сохраняют свою целостность в доменной печи при опускании их с шихтой до зоны плавления благодаря образованию в процессе нагрева брикетов и восстановления оксидов железа сначала матрицы из железокальциевых оливинов, а затем металлического каркаса-кожуха в их поверхностном слое (рис.12).

Рис. 11. Технологическая схема вибропрессования

А) Б)

Рис. 12. Микроструктура поверхностного и серединного слоя брикета их магнетитового концентрата после восстановления: А): металл (1), вюстит (2), оливиновая фаза (3)

Б): вюстит (1), оливиновая фаза (2).

Брикетирование в валковых прессах

Технология производства брикетов в валковых прессах отличается от вибропрессования тем, что уплотнение шихтовой смеси производится за счет ее сжимания под большим давлением (50 МПа) между вращающимися навстречу друг другу двумя валками, на поверхности которых имеются оппозитные углубления правильной формы. В зависимости от назначения брикетов, т.е. в зависимости от металлургического процесса, в котором они будут использоваться, в состав шихтовой смеси для брикетов кроме дисперсных железооксидных материалов и связующего вещества, могут входить, углеродсодержащие материалы, известь, обожженный доломит. В качестве связующих веществ применяются как минеральные (портландцемент, жидкое стекло), так и органические (меласса). Брикеты на органической связке или на жидком стекле в доменных печах не применяются.

Влажность шихтовой смеси зависит от ее состава и варьируется в пределах 8-10 %. Содержание связующего должно обеспечивать начальную прочность брикетов достаточную для их транспортировки конвейером до площадки упрочняющего вылеживания (24 часа). Содержание портландцемента в брикетируемой шихте в этом случаев составляет 15-18 %.

Технологическая схема брикетирования в валковом прессе также включает операции дозирования и смешивания. Шихтовая смесь подается из бункера-питателя в пространство между вращающимися валками. Полученные брикеты отсеваются на грохоте от остатков шихты и конвейером подаются на площадку упрочняющего вылеживания, где укладываются в штабель высотой 0,5-1,0 м. Применяется также предварительное подсушивание брикетов в потоке (рис. 13). После упрочнения брикеты автопогрузчиком отгружаются для транспортировки потребителям или на склад для хранения. Прочность брикетов на раздавливание после упрочнения составляет 4-5 МПа, а их размеры 65х40х25 мм. Производительность валковых прессов составляет от 5 до 50 т в час.

Рис. 13. Технологическая схема прессования на валковых прессах

Экструзия

Экструзия, как технология производства брикетов для металлургии начала применяться лишь в конце 20 века, хотя для производства кирпичей эта технология применяется уже более 100 лет. Шихтовая смесь для производства брикетов методом экструзии готовится аналогично смесям для вибропрессования и для прессования в валковых прессах. Особые требования предъявляются к максимальной крупности частиц брикетируемых материалов. Она не должна превышать 1/5 диаметра отверстий в фильере. Влажность смеси составляет 6-8 %, а вид и содержание в смеси связующего зависит от компонентного состава шихтовой смеси и от технологии утилизации брикетов. В брикетах из железооксидных материалов для доменной плавки содержание цемента составляет 5-8 %, а пластификатора (бентонит) – 0,5-1,5 %. Получаемые брикеты имеют в поперечном сечении круглую или прямоугольную форму и длину 40-70 мм. Их исходная прочность достаточна для транспортировки на склад для упрочняющего вылеживания. По истечению 24 часов прочность брикетов на раздавливание составляет 4-5 МПа. Производительность технологических линий брикетирования жесткой экструзией (рис. 14, 15) варьирует от 20 до 100 т в час.

Рис. 14. Технологическая схема производства брикетов способом экструзии

Рис. 15. Экструдер в разрезе.

Железо-углеродсодержащие брикеты

Все технологии брикетирования позволяют производить брикеты из смеси различных шихтовых компонент, включая углеродсодержащие материалы, такие как коксовая мелочь, уголь, полукокс, графитовая пыль, лигнин, древесный уголь, опилки. Брикеты из железооксидных материалов (мелкая руда, железорудный концентрат, шламы, пыли, окалина), в состав которых входят углеродсодержащие материалы, можно называть самовосстанавливающимися из-за наличия в них восстановителя. При нагреве таких брикетов до температуры 900-950 ^оС углерод, содержащийся в них, начинает восстанавливать оксиды железа в брикете, а также активно газифицироваться в результате реакции с СО₂ газовой фазы, образуя газообразный восстановитель – СО, который, в свою очередь, участвует в процессе восстановления оксидов железа брикета. В восстановлении принимают участие и летучие вещества, выделяющиеся при нагреве из угля, лигнина, древесины. Таким образом, применение железо-углеродсодержащих брикетов в шихте доменных печей приводит к сокращению расхода кокса за счет того, что углерод, содержащийся в брикетах, частично выполняет часть функций углерода кокса, генерируя восстановительный газ и участвуя в прямом восстановлении железа.

Энергетический и экологический аспекты производства и применения железооксидных-углеродсодержащих брикетов.

Железооксидные углеродсодержащие брикеты, обладающие высокой холодной и горячей прочностью, в перспективе могут занять уверенную позицию одного из основных компонентов доменной шихты, как альтернатива офлюсованному агломерату. Два основных преимущества этого вида перспективного шихтового материала доменной плавки по сравнению с агломератом, заключаются:

- во-первых в том, что производство брикетов безотходно и не сопровождается какими-либо вредными выбросами. Замена агломерата на 30-50 % такими брикетами приведет к соответствующему сокращению выбросов пыли и газов из трубы аглофабрики;

-во-вторых самовосстанавливающиеся железооксидные углеродсодержащие брикеты при проплавке в доменной печи приводят к сокращению расхода кокса за счет частичной замены углерода кокса менее дорогим углеродом, содержащимся в брикетах. Это дает возможность сократить потребление и производство кокса и связанные с этим производством вредные выбросы.

Математическое моделирование доменной плавки при работе печи на 100 % агломерата и на 100% рудоугольных (уголь древесный) брикетов на цементной связке, имеющих одинаковую основность и изготовленных из одного и того же железорудного концентрата (Таблица 8), показывает очевидное преимущество брикетов по сравнению с агломератом. Расход кокса при работе печи на брикетах сокращается по сравнению с работой на агломерате на 230 кг/т (42%) за счет замены углерода кокса углеродом брикетов.

Таблица 8.Составы агломерата и рудоугольных брикетов, %

Составляющие	Агломерат	Брикеты
Fe	58,39	51,7
FeO	13,48	21,2
Fe2O3	69,55	50,3
CaO	6,81	8,4
Al2O3	0,72	0,85
SiO2	7,96	7,5
MgO	1,35	0,75
MnO	0,1	0,08
C	0	11,0
S	0,02	0,02
P	0,04	0,04

Компонентный состав брикетов, %: концентрат -77,4; цемент -5,0, известь- 4,9; бентонит- 0,9; уголь-11,5

Таблица 9. Результаты моделирования доменной плавки на агломерате и на брикетах

Показатели работы печи	100% агломерата в шихте	100 % брикетов в шихте
Расход шихты, кг/т	1633	1876
Содержание железа в шихте, %	58,39	51,7
Расход кокса, кг/т	542	310
Производительность, т/сутки	2238	2226
Параметры дутья и колошникового газа:
Температура, оС	1200	1200
Содержание кислорода, %	21	21
Влажность, г/м3	60	60
Давление (абс.), кПа	377	410
Теоретич. температура горения, оС	2167	2167
Давление на колошнике (абс.), кПа	270	270
Температура кол. газа, оС	220	260
Выход колошникового газа, м3/т	1728	1768
Выход шлака	324	352
Содержание кремния в чугуне, %	0,5	0,5