Формирование нового агрегата в процессах окускования минеральных продуктов
Агломерация.
Процесс агломерации заключается в спекании компонентов углесодержащей полиминеральной смеси за счет плавления образующихся в ней при тепловом воздействии (сгорании углеродного компонента) легкоплавких соединений с последующем их твердением. Наиболее наглядное представление о сущности процесса агломерации можно получить рассматривая устройство и принцип работы лабораторной установки, предназначенной для его моделирования и исследования.
Полиминеральная сырьевая смесь ( шихта ) для агломерации состоит из рудной, топливной и флюсовой частей.
Газовая горелка для зажигания шихты
Откачиваемые эксгаустером
газообразные продукты сгорания шихты
Шихта
Колосниковая решетка
Корпус агломерационнной установки
Рис. 10.24. Общая схема агломерационной установки.
Флюсовую часть обычно представляют известняк (доломит) и известь.
Топливом при агломерации служат содержащаяся в шихте ( топливная часть) коксовая мелочь (<5 мм) антрацитовый штыб и угольная пыль. Расход твердого топлива колеблется в широких пределах в зависимости от свойств спекаемых шихт, составляя в разных условиях от 4 до 10%, а в среднем 6,7 %.
Шихта тщательно перемешивается в слегка увлажненном состоянии. Затем следуют увлажнение шихты до некоторого оптимального уровня, определяемого экспериментальным путем, и повторное перемешивание.
Первым на колосниковую решетку укладывают слой кусков уже приготовленного агломерата ( крупностью 10-20 мм), так называемую «постель». Этот слой препятствует просыпанию шихты через зазоры колосниковой решетки, предохраняет ее от воздействия высоких температур и облегчает отделение готового агломерата от решетки после окончания процесса. Высота слоя шихты колеблется от 180 до 500 мм.
Включением эксгаустера под колосниковой решеткой создают зону пониженного давления, в которую через рыхлую массу шихты начинает проходить ( фильтроваться) воздух.
Процесс агломерации инициируют зажиганием верхнего слоя шихты продуктами горения газа, температура которых достигает 1200-1400°С. Под действием создаваемого эксгаустером разряжения под колосниковой решеткой продукты горения газа от горелки немедленно втягиваются в верхний слой сырой шихты. За счет большой удельной поверхности твердой фазы все тепло продуктов горения газа поглощается уже узким верхним слоем шихты, толщина которого чаще всего равна 15-25 мм. В этом слое после интенсивного испарения влаги шихта быстро нагревается до 700°С, после чего начинается самостоятельное горение содержащейся в шихте коксовой мелочи и температура в рассматриваемом узком слое быстро повышается до 1300°С.
Под зоной горения 1 неизменно располагается зона подогрева и сушки шихты 2 теплом отходящих из зоны горения газов. Еще ниже находится холодная сырая шихта 3, а затем постель 4. В зонах подогрева шихты и горения твердого топлива активно идут процессы дегидратации, диссоциации и твердофазного взаимодействия между минеральными составляющими шихты. При этом образуются новые вещества, которые плавятся при высоких температурах в зоне горения, растворяя в себе большую часть остальной шихты. После выгорания углерода горение перемещается в нижележащие слои шихты. При соприкосновении с поступающим в чашу сверху воздухом расплав мгновенно остывает и затвердевает, образуя новый минеральный агрегат. Готовый агломерат является, таким образом, продуктом кристаллизации железистого расплава. Поверх зоны горения твердого топлива располагается, следовательно, зона готового охлаждающегося агломерата 5.
Температура в зоне горения коксовой мелочи может достигать 1500°С, а чаще находится в пределах 1200-1400°С.
Офлюсованная нагретая шихта состоит главным образом из гематита Fe2O3, негашеной извести СаО и кварца SiO2. Химическое сродство СаО к SiO2 почти в два раза выше, чем СаО к Fe2O3. В твердой фазе это обстоятельство не играет существенной роли. В данном случае главная масса шихты состоит из Fe2O3, а количества СаО и SiO2 невелики. В результате число контактов СаО и SiO2 мало. Поэтому в твердой фазе образуются главным образом ферриты кальция.
Рис 10.27. Схема взаимодействия компонентов агломерационной шихты в твердой фазе
Процессы получения железосодержащих окатышей.
Процесс изготовления окатышей состоит из двух основных последовательных операций - получения сформированных агрегатов сфероидальной формы заданного размера ( «сырых окатышей»), в котором минеральные частицы удерживаются силами адгезии, и последующего их упрочнения высокотемпературным обжигом. Сырые окатышы получают из увлажненного концентрата с небольшой добавкой вяжущего вещества, во вращающихся барабанах или на тарельчатых окомкователях.
Во многих случаях в состав шихты вводят специальные добавки, повышающие прочность сырых окатышей . Особенно часто в шихту добавляют 0,5-1 бентонита - чрезвычайно тонкой глинистой породы, содержащей значительные количества монтмориллонита . Бентонитовая глина несколько обедняет концентрат железом, но зато резко увеличивает силы сцепления между частицами шихты в окатыше. Вяжущие свойства бентонита давно известны и используются в технике.
Кроме бентонита, в шихту иногда добавляют известь или известковое молоко. Однако известь повышает уровень оптимальной влажности шихты при скатывании. Сырые окатыши получаются более прочными, но содержат больше влаги, чем обычно. Это создает трудности при последующей сушке и обжиге окатышей, когда пары воды могут разорвать окатыш при слишком быстром их нагреве.
Сырые окатыши подвергаются затем сушке и упрочняющему высокотемпературному обжигу, после которого прочность окатыша на сжатие повышается до 1,96-2,94 кН/окатыш (200-300 кгс/окатыш). Сушка окатыша должна проводиться достаточно медленно, чтобы предупредить возможное проявление трещин или полное его разрушение под действием выделяющегося внутри окатыша водяного пара.
Упрочнение окатышей в ходе обжига при температурах до 1300-1400°С связано, как показывают опыты, с процессами, происходящими с твердыми частицами концентрата, и с появлением жидкой фазы, после охлаждения которой образуется некоторое количество связки, скрепляющей зерна концентрата в окатыше.
Легкоплавкие фазы образуются при обжиге в результате твердофазных реакций. В офлюсованных окатышах ,так же как в офлюсованных агломерационных шихтах, с наибольшей скоростью идут взаимодействия гематита с известью и известняка с образованием ферритов кальция.
Существует принципиальное различие между микроструктурами агломерата и окатышей. При агломерации вся шихта или большая ее часть проходит через расплавленное состояние. Готовый агломерат не должен содержать остатков шихты. При обжиге окатышей лишь 10-30 % всей массы окатыша расплавляется, а затем вновь кристаллизуется или застывает в виде аморфного железистого стекла. Таким образом, в окатышах преобладают гематит, образовавшийся при окислении первичного магнетита в твердой фазе и остатки первичного магнетита. Оптимальное количество связки, обеспечивающее в этих условиях максимальную прочность обожженного окатыша, составляет по экспериментальным данным 20-25% (по массе).
Обжиг окатышей осуществляется в шахтных печах, на машинах конвейерного типа и в установках комбинированной конструкции.
Загруженные в печь сырые окатыши последовательно проходят сушку, подогрев и обжиг. При этом температура в слое окатышей в зоне обжига достигает 1320-1340°С, так как при окислении магнетита кислородом продуктов горения газа или мазута выделяется значительное количество тепла.
Рис. 10.29 Технологическая схема получения железосодержащих окатышей.