Производство металлургических окатышей

 

Развитие эксплуатации месторождений бедных руд и их обогащения привели к быстрому росту производства тонкоизмельченных концентратов и увеличению содержания последних в агломерационной шихте. Однако оказалось, что это приводит к существенному снижению производительности агломерационных машин – на 20–40%.

В то же время транспортировка концентрата на большие расстояния создала значительные неудобства и трудности (смерзание, залипание, сложность перегрузки и т.д.). Перевозка же агломерата на большие расстояния нерациональна из-за значительного его разрушения. Заметное разрушение агломерата происходит и при перегрузках, загрузке в печь, в самой печи.

На рисунке 4.7 приведена схема производства окатышей. Из шихтовых бункеров 3 на конвейере 2 дозируются концентрат и измельченный до частиц крупностью 0–0,3 мм известняк. Затем шихту смешивают в барабане 1 и подают на гранулятор 5. Он представляет собой круглый диск (тарель) с бортами, расположенный наклонно. При вращении диска на его поверхности происходит накатывание окатышей. Перед гранулятором для лучшего окомкования к добавляют 0,3–1,5% бентоните глины (чаще 0,5–1% от массы шихты), а на гранулятор через распылю форсунку подается вода, Образовавшиеся на грануляторе окатыши направляются в устройство для обжига. На схеме в качестве такого устройства показана наиболее распространенная конвейерная машина, аналогичная агломерационной.

Главными этапами процесса: подготовка шихтовых материалов, дозирование и смешивание шихты; производство сырых окатышей; сушка, обжиг и охлаждение окатышей.

 

1 – смесительный барабан; 2 – шихтовый конвейер; 3 – шихтовые бункера; 4 – бункер для бентонита; 5 – дисковый гранулятор; 6 – обжиговая машина; 7 – мельница для измельчения возврата; 8 – вентиляторы; 9 – грохот

Рисунок 4.7 - Схема производства окатышей

 

Подготовка шихтовых материалов ничем не отличается от такого процесса на аглофабрике. Особенностью является необходимость тонкого измельчения всех шихтовых материалов. Наличие крупных фракций в шихте нарушает процесс окатывания на грануляторе и резко снижает прочность окатышей. Другая особенность состоит в необходимости подавать на гранулятор концентрат строго определенной влажности – 9–10%. Как более влажный, так и более сухой концентраты не окатываются. Обезвоживание концентрата до заданной влажности необходимо выполнять на обогатительной фабрике.

Процесс окатывания не отличается от окомкования агломерационной шихты. Главными факторами, определяющими процесс, являются степень измельчения концентрата, содержание влаги, свойства и количество добавляемых связующих веществ и свойства увлажняющей жидкости.

Удовлетворительное окатывание осуществляется только при содержании в концентрате 85–90% фракции 0,074 мм известняк и возврат должны иметь крупность частиц 0,3 мм.

Механизм процесса окомкования при производстве окатышей мало отличается от механизма окомкования агломерационной шихты.

Прочность сцепления частиц во влажном состоянии в значительной мере определяется величиной удельной поверхности материалов, которая, в свою очередь, зависит от величины частиц. Кроме того, прочность сцепления частиц зависит от их влажности. Сырые окатыши должны обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться при транспортировке к обжиговому агрегату, а также хорошей термостойкостью, чтобы не разрушаться при нагреве. Для получения прочных и термостойких сырых окатышей в шихту обычно вводят бентонитовую глину (бентонит).

Для окомкования используют барабанные или дисковые грануляторы. Барабанный гранулятор аналогичен окомкователю агломерационной шихты. Тарельчатый гранулятор (рисунок 6.15) - плоская чаша 2 диаметром 5,5 м с бортами, расположенную под углом 40–0° к горизонтали (рисунок 4.8).

1 – чаша; 2 – установка скребков; 3– механизм изменения угла наклона чаши;

4 – рама гранулятора

Рисунок 4.8 - Схемы перемещения материалов в грануляторе (а) и общий вид тарельчатого гранулятора (б)

 

Угол наклона чаши с помощью механизма 3 можно изменять. Мотор через механизм привода позволяет регулировать скорость вращения чаши от 6 до 9 об/мин. Производительность такого гранулятора составляет, 30–40 т/ч. Тарельчатые грануляторы производят окатыши определенного размера, что зависит от высоты борта чаши, угла наклона тарели, влажности материала, содержания бентонита в шихте и т.д.

Сушка окатышей – подготовительная операция перед обжигом, необходимая для повышения прочности окатышей и предохранения их от разрушения при обжиге. Производительность процесса зависит от скорости нагрева, имеющей определенный предел, превышение которого приводит к разрушению окатышей. Сушка может производиться как в отдельных агрегатах, так и в одном агрегате с обжигом.

Цель обжига окатышей – их упрочнение. Для этого высушенные окатыши подвергаются дальнейшему нагреву, при котором происходит их упрочнение. Оно является результатом спекания и слипания мелких частиц железорудных материалов, нагретых до температуры размягчения и плавления. Процесс спекания протекает при нагреве до температуры порядка 0,7– 0,8 температуры плавления основного компонента окатыша. Спекание объясняется проявлением одного из принципов термодинамики – стремлением любой системы к снижению ее термодинамического потенциала. Окатыш состоит из дисперсных материалов, которые представляют собой системы с высокоразвитой удельной поверхностью, Обладающие высокой свободной поверхностной энергией. При спекании происходит одновременное уменьшение поверхности частиц и свободной поверхностной энергий системы. Поэтому спекание является необратимым процессом, при котором уменьшение свободной энергии вызвано уменьшением поверхности частиц.

При наличии в окатыше оксидов или соединений, реагирующих с оксидами железа в твердых фазах с образованием химических соединений (ферритов, силикатов) или твердых растворов, скорость спекания изменяется. Так, добавление оксидов кальция, магния или ферритов кальция к гематиту ускоряет процесс. Максимальная скорость спекания соответствует смеси 92–95% оксидов железа и 5–8% оксидов кальция или магния. Добавка оксида кремния (кварца) к гематиту снижает, скорость спекания.

Сущность физико-химических превращений по мере повышения температуры представляется следующей последовательностью:

1. Окисление магнетита до гематита по реакции:

 

4Fe₃О₄ + О₂ → 6Fe₂О₃.

 

Скорость процесса зависит от температуры и содержания кислорода в газах. Процесс протекает при температуре до 1000 –1050 °С.

2. Рекристаллизация гематита. При температуре свыше 1000–1050 °С возможна рекристаллизация гематите – мелкие зерна его объединяются в крупные за счет диффузии в твердом состоянии. Однако развитие этих процессов по ряду причин затруднено и поэтому влияние на прочность окатышей незначительно.

3. Термическая диссоциация гематита. При нагреве до 1300–1380 ^оС начинается процесс термической диссоциации гематита по реакции:

 

6Fe₂О₃ → 4Fe₃О₄ + О₂.

 

Это приводит к снижению прочности окатышей, но одновременно с этим появляются жидкие фазы и начинается процесс жидкофазного спекания.

4. Упрочнение за счет образования жидкой фазы (шлакового связующего). Этот процесс ничем не отличается от формирования структуры агломерата и подчиняется тем же закономерностям. В неофлюсованных окатышах основой жидкой фазы являются SiО₂, Fe₂О₃ и Fe₃О₄. Фаялитовое связующее развито минимально, так как почти отсутствует FeO, но значительно большую роль играет силикатное связующее, образующееся при взаимодействии Fe₃О₄ и SiO₂. В офлюсованных окатышах основой жидкой фазы являются ферриты кальция (CaO∙Fe₂О₃ и 2СаО∙Fe₂О₃) с температурой плавленая 1210–1230 °С, так как силикаты плавятся при более высокой температуре, а оливины почти отсутствуют. Жидкофазное спекание имеет решающее значение для упрочнения окатышей.

На прочность окатышей оказывает влияние не только количество жидкой фазы, но ее физические свойства (вязкость, смачиваемость). Жидкая фаза с низкой вязкостью и хорошей смачивающей способствует лучшему обтеканию зерен концентрата и обеспечивает получение прочных окатышей. Поэтому добавление компонентов, снижающих вязкость расплава (МnО), и получение расплава, хорошо смачивающего зерна концентрата (расплав на основе ферритов кальция), увеличивают прочность окатышей.

Охлаждение окатышейнеобходимо для обеспечения нормальных условий транспортировки и использования их физической теплоты.

Обжиг окатышей осуществляется в агрегатах трех типов: шахтных печах, конвейерных машинах и комбинированных установках. Шахтные печи не получили значительного распространения, несмотря на низкие эксплуатационные затраты. Это объясняется относительно низкой производительностью печей и возможностью разрушения и оплавления окатышей, что приводит к образованию настылей на стенах шахты и нарушению движения газового потока в столбе материалов.

Наиболее распространен обжиг окатышей на конвейерных машинах, которые по устройству аналогичны агломерационным (рисунок 4.9). Отличие конвейерных машин для обжига окатышей состоит в том, что они имеют повышенную стойкость колосников, позволяют достичь более высоких температур; создают меньшее разрежение под колосниковой решеткой ввиду высокой газопроницаемости слоя окатышей, что позволяет заменить эксгаустеры высокотемпературными вентиляторами; лента машины разделена на зоны разного назначения (рисунок). Для более полного использования теплоты машина разделена на технологические зоны, перекрытые сверху специальными секциями горна и состоит из следующих секций: сушки (одна или две секций), подогрева, обжига (от одной до, трех секций), рекуперации и охлаждения (одна или две секции).

Сушка окатышей осуществляется горячими газами, подаваемыми из зоны обжига снизу вверх (I зона сушки) и из зоны охлаждения сверху вниз (II зона сушки) В зонах подогрева III и обжига IV установлены газовые горелки. Продукты сжигания газа просасываются сверху вниз и нагревают окатыши до нужной температуры. Выходящие из зон I,II и III газы нагреты до температуры 150–170 ^оС, поэтому они направляются в дымовую трубу. В зоне IV окатыши нагреваются до температуры около 1350 °С, тут проходят их жидкофазное спекание и упрочнение. Отходящие газы используются в зоне сушки I. В зоне V начинается охлаждение окатышей, которое осуществляется воздухом, подогретым при охлаждении окатышей в зоне VI.

1-привод машины; 2-вакуум-камеры; 3-высокотемпературные вентиляторы; 4-горелки; 5-горн машины

Рисунок 4.9 - Схема конвейерной машины для обжига окатышей

 

Выходящий из зоны V воздух присоединяется к продуктам горения, поступающим из зоны IV. Таким образом, используется теплота нагретых при обжиге окатышей, поэтому зона V называется зоной рекуперации. В зоне VI проходит основное охлаждение окатышей воздухом, просасываемым снизу вверх. Завершается охлаждение в зоне VII. Нагретый при этом воздух из зон VI и VII направляется для сжигания газа в зонах III и IV. Представленная схема является типичной, но в зависимости от состава и свойств концентрата, основности окатышей, наличия вредных примесей, особенностей конструкции и по другим соображениям она может изменяться.

Обжиговые машины отличаются от агломерационных, прежде всего, повышенной жаростойкостью тележек и колосников, более сложным уплотнением между тележками и рамой машины, системой газопроводов, обеспечивающей переток газов и воздуха по зонам, наличием высокотемпературных вентиляторов – дымососов.

На обжиг 1 т окатышей на таких машинах расходуется 850–1200 МДж теплоты.