Агломерация

Агломерация является основным способом окускования рудной мелочи, суррогатов руд и железорудных концентратов. Наряду с окускованием в процессе агломерации удаляется до 95-98 % серы, поступающей с шихтой. Агломерация – процесс спекания мелкозернистых материалов путем их нагрева, частичного или полного расплавления. В этих условиях реализуется термодинамическое стремление дисперсных материалов к уменьшению свободной поверхностной энергии. В черной металлургии наиболее распространенным является вакуумный вариант слоевой агломерации (изобретен в 1906 г), в котором тепло, обеспечивающее процесс спекания, образуется при горении топлива внутри спекаемого объема. Простейшая установка для вакуумной слоевой агломерации представляет собой чашу круглого, прямоугольного или квадратного сечения, днище которой представляет собой колосниковую решетку. Чашу устанавливают на вакуум – камеру, соединенную с нагнетателем (эксгаустером), который в процессе спекания создает в ней разрежение (до 10–20 КПа) и, тем самым, обеспечивает просасывание через слой шихты воздуха.

В качестве железорудных материалов для агломерации используют мелочь железной руды с верхним пределом крупности до 8-10 мм, железорудные концентраты, а также отходы металлургического производства (прокатную окалину, шламы и пыли доменного и сталеплавильного производств и т.д.). Для повышения технико-экономических показателей доменной плавки флюс, требуемый в доменной печи для снижения температуры плавления пустой породы и золы кокса, а также для получения шлака необходимого состава и свойств, вводится в печь с железорудным агломератом. Так как пустая порода ЖРМ, в основном, кремнистая, в качестве флюса при агломерации чаще всего используется известняк, измельченный до крупности 3-0 мм. Основным видом твердого топлива является коксовая мелочь, также измельченная до крупности 3-0 мм. В состав агломерационной шихты входит также возврат – некондиционные по крупности фракции агломерата (5(8) – 0 мм).

Шихтовые материалы дозируют в заданном расчетном соотношении, перемешивают и окомковывают с добавлением воды до получения комочков крупностью 8-0 мм. Окомкованную шихту загружают слоем определенной высоты (обычно от 250 до 500 мм) на колосниковую решетку агломерационной установки. Процесс агломерации начинается с внешнего нагрева (зажигания) шихты, инициирующего воспламенение находящегося в ней твердого топлива. Зажигание производится путем засасывания в слой шихты горячих продуктов сгорания газообразного, жидкого или твердого топлива из специального зажигательного горна, установленного над слоем. В процессе зажигания, которое обычно продолжается в течение 1-2 минут, поверхностный слой шихты толщиной 20 –30мм нагревается до температуры 1000 – 1200 ^оС. После разогрева верха слоя и воспламенения в нем твердого топлива процесс спекания идет без внешнего источника тепла за счет перемещения по слою тепловой волны. Перемещение тепловой волны обеспечивается потоком воздуха, просасываемого через слой в течение всего периода спекания, а поддержание необходимой максимальной температуры в спекаемом слое – теплом горения твердого топлива и окисления оксидов железа. Необходимое количество топлива в шихте зависит от типа рудных материалов и параметров процесса спекания и обычно составляет от 3 до 6-7 % ее массы или 7-12 % объема шихты.

Через 1-2 минуты после завершения зажигания в спекаемом слое образуется пять характерных зон (сверху вниз по направлению просасывания воздуха): зона охлаждения агломерата, зона формирования агломерата, зона интенсивного нагрева шихты, зона сушки, зона переувлажненной шихты. Испаряющаяся в зоне сушки влага может вновь конденсироваться в нижележащей исходной шихте, создавая зону переувлажнения, только в том случае, когда температура исходной шихты ниже 50-600С. Если температура исходной шихты составляет 50-600С и более, то конденсации влаги в ней и образование зоны переувлажнения не происходит. Газ из зоны сушки проходит слой исходной подогретой шихты не переувлажняя ее.

Зону формирования агломерата в свою очередь можно разделить на две части: зону кристаллизации расплава и зону плавления шихты. С нижней половиной зоны формирования агломерата (зоной плавления) и, частично, с зоной интенсивного нагрева совмещается зона горения твердого топлива. Засасываемый в слой воздух проходит через образующуюся зону готового агломерата, охлаждающийся и кристаллизующийся расплав и, забирая тепло продуктов спекания, нагревается. Попадая в зону горения топлива, воздух превращается в нагретый агломерационный газ, состоящий из продуктов горения топлива и газообразных продуктов разложения шихтовых материалов. Температура газа становится выше температуры материала. Горячий газ, двигаясь через шихту, состоящую из относительно мелких частиц и обладающую высокой удельной поверхностью, быстро отдает ей свое тепло. При этом происходит интенсивное испарение влаги из шихты (в зоне сушки) ее нагрев и воспламенение твердого топлива. Скорость нагрева сухой шихты достигает 600-1000 ⁰С/мин и мало изменяется по ходу спекания.

Зоны сушки, интенсивного нагрева и горения топлива практически с одинаковой скоростью перемещаются сверху вниз к колосниковой решетке, проходя всю высоту слоя за сравнительно короткий промежуток времени (10-30 мин). При этом высота указанных зон практически не изменяется. Одновременно с зоной горения вниз перемещается частично совмещенная с ней зона плавления, оставляя за собой слой кристаллизующегося расплава и охлаждающегося аглоспека. Характерной особенностью агломерационного процесса является «концентрация» высокотемпературной части слоя шихты в которой возможно появление расплава в сравнительно узкой зоне: 20 – 60 мм. Зона плавления представляет собой чередующиеся очаги горения частиц твердого топлива (где происходит локальная усадка расплавленного материала с образованием крупных пор 5 – 15 мм) и частично расплавленные остатки шихты. Дополнительную пористость дают процессы удаления гидратной влаги, СО₂ карбонатов, выгорание углерода топлива, серы, интенсивное движение газовых потоков через расплав.

Полученный в сложных неравновесных условиях охлажденный продукт спекания – аглоспек – представляет собой полиминеральное, поликристаллическое пористое тело, ослабленное внутренними напряжениями и трещинами. Главной причиной сохранения пористой структуры агломерационного спека является структурная неоднородность шихты, в частности, точечное распределение в ней частиц возврата, топлива и флюса, препятствующее вертикальной усадке зоны формирования агломерата.

После дробления и грохочения из аглоспека выделяют относительно прочный, пригодный для последующего металлургического передела кусковый продукт – агломерат. Оптимальная крупность агломерата составляет от 5 до 40 (50) мм. Куски спека менее 5-8 мм и пылевидные фракции крупностью 5-0 мм после грохочения представляют собственный возврат – продукт, направляющийся на повторное спекание в смеси с другими компонентами шихты. Получение высоких температур, необходимых для формирования агломерата достаточной прочности, регулируется содержанием углерода в шихте, режимом зажигания и высотой спекаемого слоя.

Минеральный состав железорудного агломерата определяется составом шихтовой смеси и зависит от технологических параметров его получения. Основную роль в формировании минеральных фаз агломерата играют оксиды железа, а также минералы пустой породы на основе оксидов кремния, кальция, магния и алюминия. Любой агломерат – это полиминеральное тело, состоящее из нескольких минералов. Так как при нормальном ходе процесса большая часть шихты проходит через плавление, формирование фазового состава агломерата происходит в сложных неравновесных условиях быстрого охлаждения гетерогенного расплава.

Около 97 % всего агломерата в мире ( более 500 млн.т) производится на конвейерных агломерационных машинах. Машины этого типа получили широкое распространение во многих странах. В настоящее время в мире работает более 1000 аглолент суммарной производительностью более 500 млн. т агломерата в год. Зарубежное агломерационное производство начала XXI века оснащено мощными агломашинами площадью спекания 400-600 м² на базе спекательной тележки шириной 5,0 м. Производительность одной такой машины достигает 20 тыс.т агломерата в сутки. На бразильской фирме CST (Companhia Siderurgica de Tubarao) работает агломашина площадью спекания 484 м² с самой большой в мире шириной спекательной тележки (5,5 м). Ее производительность составляет около 6,5 млн.т агломерата в год.

Процесс спекания на конвейерной машине (рис.4.6‑2) является непрерывным и осуществляется над вакуум-камерами ее рабочей ветви. Конвейерная агломерационная машина представляет собой замкнутую цепь движущихся спекательных тележек (паллет), перемещающихся по рельсам верхней горизонтальной рабочей ветви машины под действием звездочек 12 привода, а по рельсам нижней наклонной ( 2—3°) холостой ветви машины в перевернутом положении под действием горизонтальной составляющей собственного веса.

Современные агломерационные машины оснащаются разгрузочными звездочками и имеют горизонтальную холостую ветвь. Захват спекательных тележек с холостой ветви и транспортировка их на верхнюю рабочую ветвь машины также осуществляются с помощью звездочек привода. Тележка современной машины состоит из корпуса 1, комплекта колосников 2, четырех ходовых роликов 3, бортов 4, пластин бортового уплотнения 5, пластины продольного уплотнения типа «падающий груз» 6 (рис.4.6‑3).

На стальной раме каждой спекательной тележки монтируется три ряда колосников. Таким образом, ряд тележек на машине представляет собой движущуюся колосниковую решетку. Во время движения по рабочей ветви тележки проходят над вакуум-камерами, соединенными через сборный газопровод с эксгаустером. Специальное уплотнение препятствует прососу воздуха в вакуум-камеры через стык с движущимися паллетами. Спекательные тележки движутся по рабочей ветви машины одна за другой без разрывов или зазоров. Просос воздуха между тележками в вакуум-камеры исключается. Укладка защитного слоя (постели) и шихты на движущиеся тележки производится специальными загрузочными устройствами 5. Зажигание шихты осуществляют с помощью стационарного газового горна 6. Под зажигательным горном зона горения твердого топлива находится в крайнем верхнем положении. По мере движения паллет зона горения опускается вниз по направлению к колосниковой решетке, проходя весь спекаемый слой за 10-30 мин (в зависимости от высоты слоя и вертикальной скорости спекания). В тот момент, когда зона горения достигает слоя постели, тележка входит в закругление разгрузочной части ленты, образуемое специальными криволинейными направляющими, опрокидывается и пирог готового агломерата сбрасывается в дробилку 7, затем на грохот 11 и в охладитель 12.

Производительность агломерационной машины прямо пропорциональна площади ее спекания, вертикальной скорости спекания шихты и выходу годного агломерата из спека:

Q = 0,0006 ×F∙Vсп× g_Ш× ε_с ×b, (4.6‑1)

где Q –производительность, т/ч; Vсп – вертикальная скорость спекания, отнесенная к начальной высоте слоя, мм/мин; g_Ш – насыпная масса шихты, т/м³; ε_с – выход спека из шихты, т/т шихты; b - выход годного агломерата, % от спека.

Вертикальной скоростью спекания обычно называют среднюю скорость перемещения по слою температурного максимума тепловой волны:

Vсп = H / τ, (4.6‑2)

где Vсп - вертикальная скорость спекания, мм / мин; H – высота слоя шихты, мм; τ – время перемещения температурного максимума тепловой волны от верха слоя до поверхности слоя постели или до колосников спекательной тележки, мин.

Вертикальная скорость спекания при нормальном режиме процесса зависит от скорости фильтрации воздуха через слой и теплофизических свойств шихтовых материалов:

Vсп = К∙ (С_г/С_ш.к) ∙ω_г, (4.6‑3)

где К – коэффициент, зависящий от свойств шихты; С_г – средняя удельная теплоемкость газа в нижней ступени теплообмена; С_ш.к – средняя кажущаяся теплоемкость шихты; ω_г - скорость фильтрации газа через слой. Важнейший параметр, определяющий вертикальную скорость спекания – скорость фильтрации воздуха через слой – определяется газопроницаемостью шихты и разрежением под колосниковой решеткой машины. В общем виде зависимость скорости фильтрации воздуха от указанных параметров определяется уравнением:

w_0в = [(2 e³ ×d_экв ×DР)/ l× Н×r_Г (1-e)]^0,5, (4.6‑4)

где DР – величина разрежения под слоем; l -коэффициент гидравлического сопротивления слоя; d_экв и e - средний диаметр гранул шихты и порозность слоя соответственно, r_Г – плотность газа.

Съем годного агломерата с единицы площади спекания машины называется ее удельной производительностью (т/м²ч). Агломерация является самым производительным способом окускования. Удельная производительность агломашин достигает 1,5 -2,0 т/м²ч.