14. Формирование сырых окатышей.

Сырые окатыши формируются при окатывании тонкодисперсного железорудного материала, увлажненного до определенной степени. В системе железорудный материал – вода стремление к уменьшению энергии реализуется уменьшением поверхностного натяжения на границе раздела фаз (при взаимодействии с водой) и укрупнении частиц (в результате их сцепления). Таким образом, эта система обладает определенным термодинамическим стремлением к окомкованию. Процесс формирования гранул из железорудных концентратов включает смачивание, капиллярное насыщение, осмос, набухание, поверхностное диспергирование и др. Главный фактор, обеспечивающий прочность сцепления – удельная поверхность материала, которая тем больше, чем больше содержание наиболее мелких фракций. Другой фактор – содержание влаги в шихте. Силы сцепления пропорциональны максимальной молекулярной влагоемкости , которая характеризует энергетическое состояние концентрата. Структурное состояние концентрата (его пористость связано с величиной максимальной капиллярной влагоемкости. Предложено оценивать способность к окомкованию показателем комкуемости. Для обеспечения достаточной прочности сырых окатышей добавляют связующие добавки (бентонит, его смесь с водой, известь, хлористый кальций, железный купорос, гуминовые вещества). Наибольшее применение нашел бентонит. При увлажнении он хорошо поглощает воду и увеличивается в объеме в 15-20 раз. При увлажнении он образует гели с сильно развитой удельной поверхностью (600-900 м²/т), которая в 7-10 раз превышает поверхности частиц других сортов глины. Но запасы бентонита ограничены и он относительно дорог, поэтому необходимо искать более распространенные и дешевые связующие материалы.

15. Высокотемпературное упрочнение окатышей

Основная цель обжига – упрочнение до такой степени, чтобы выдерживать транспортировку, перегрузки и доменную плавку без значительного разрушения. При этом в отличие от агломерации нельзя доводить процесс до спекания материалов. Если не ограничить верхний предел температуры 1200-1350С произойдет оплавление окатышей и сваривание их в крупные глыбы. При более низкой температуре – понижение прочности окатышей. При нагреве окатышей протекает ряд процессов – разложение гидратов и карбонатов, окисление оксидов железа, твердофазные реакции.

Разложение известняка. При быстром нагреве в нейтральной или окислительной атмосфере диоксид углерода начинает выделяться из окатышей при 800-850 °С, что связано с замедлением прогрева окатышей. При нагреве со скоростью 80 °С/мин температура разложения известняка снижается до 730-750°С. Максимум скорости выделения диоксида углерода соответствует 1130-1170°С при быстром нагреве и 950-970 °С при медленном нагреве. Общее время выделения CO₂ составляет 5,5-9,0 мин в первом случае и 7-12 мин во втором. При окислительном упрочняющем обжиге имеет место окисление магнетита до гематита, сопровождающееся заметным выделением тепла: 2Fe₃O₄ +1/2O₂ = 3Fe₂O₃ + 231 МДж.

Скорость процесса зависит от удельной поверхности пор образцов и состава газовой фазы. Практика обжига показала, что в реальных условиях максимальная степень окисления окатышей соответствует температурному интервалу 900-1100 °С. Важной причиной замедления окисления магнетита в окатышах являются размягчение и частичное оплавление окатышей. Твердофазные реакции при обжиге окатышей приобретают заметное развитие. При окислительном обжиге неофлюсованных окатышей из магнетитовых концентратов ведущую роль играет реакция между Fe₃O₄ и SiO₂ с образованием силикатов железа. При обжиге офлюсованных окатышей в реакции участвуют Fe₃O₄, Fe₂O₃, CaO, MgO и SiO₂, причем значение приобретает реакция образования ферритов кальция. Образующиеся соединения (силикаты железа и кальция, ферриты кальция) являются легкоплавкими. Поскольку при обжиге офлюсованных окатышей количество легкоплавких соединений больше, температура обжига окатышей не должна быть чрезмерно высокой. Иначе развиваются процессы оплавления окатышей, сплавления их в прочные гроздья и конгломераты, охлаждение и съем которых с обжиговых устройств, а также транспортировка и проплавка значительно затрудняются. Снижение температуры обжига приводит к падению прочности окатышей и появлению в структуре окатышей свободной извести, гидратация которой при хранении окатышей на воздухе сопровождается их разрушением. В связи с этим интервал температур обжига офлюсованных окатышей меньше, чем не офлюсованных. К технологии обжига офлюсованных известняком окатышей предъявляют ряд повышенных требований: тонкий помол известняка (для более полного усвоения извести), улучшенное качество смешения шихты, небольшой интервал температуры обжига. Однако добавка флюса к шихте приводит к улучшению качества окатышей, особенно прочности при хранении и восстановлении. Механизм и кинетика упрочнения железорудных окатышей. Упрочнение окатышей является усложненным вариантом процесса спекания дисперсных частиц. Обжиг окатышей имеет ряд особенностей, важнейшими из которых являются протекание в ходе обжига химических реакций, многокомпонентный состав шихты, выделение значительного количества газа, малая продолжительность процесса. Шихта для обжига окатышей представлена частицами очень малого размера, следовательно, обладает большой избыточной поверхностной энергией. Спекание является сложным самопроизвольным процессом приближения окатыша к равновесию. При обжиге окатышей спекание частиц может проходить в двух режимах: с отсутствием жидкой фазы (твердофазное спекание) и при наличии некоторого количества расплава (жидкофазное спекание). Объективным критерием протекания спекания частиц и упрочнения окатышей является длина контактов частиц шихты в окатыше. На первой стадии спекания упрочнение протекает с уменьшением суммарного объема пор, поэтому для малого времени процесса (до 15-20 мин) изменение объемной пористости является характеристическим параметром упрочнения окатышей. На заключительных стадиях спекания объем пор может не изменяться при исчезновении мелких и росте размера крупных пор. Поверхность пор при этом продолжает снижаться. В режиме твердофазного спекания обычно упрочняются окатыши нижних слоев конвейерной машины, а также неофлюсованные окатыши из богатых концентратов с низким (менее 2-3%) содержанием пустой породы. Твердофазное спекание оксидов железа начинает проявляться при 800-900 °С. При этом активно спекаются как гематит, так и матнетит. Скорости твердофазного упрочнения сравнительно низки.