Получение сырых окатышей

Сырые окатыши формируются при окатывании тонкодисперсного железорудного материала, увлажненного до определенной степени. Тонкоизмельченный железорудный порошок относится к гидрофильным дисперсным системам, характеризующимся интенсивным взаимодействием с водой. В такой системе стремление к уменьшению энергии реализуется путем снижения величины поверхностного натяжения на границе раздела фаз (при взаимодействии с водой) и укрупнения частиц (в результате их сцепления). Можно считать, что в целом дисперсная система железорудный материал—вода обладает определенным термодинамическим стремлением к окомкованию. Это стремление реализуется под действием динамических нагрузок при пересыпании увлажненного материала, в результате которого образуются комочки (окатыши). Прочность влажного окатыша можно определить по формуле:

F=k∙S∙ρ∙ [(1-ε)/ε], (4.6‑5)

где F— прочность окатыша; S — удельная поверхность дисперсного материала; ρ — плотность материала; ε — пористость гранулы; k — коэффициент, учитывающий форму частиц, характер их укладки в образце, гидрофильность материала.

Ведущим фактором, определяющим прочность сцепления частичек во влажном состоянии, является удельная поверхность материала, которая тем больше, чем выше содержание наиболее мелких фракций. Однако увеличение удельной поверхности вызывает рост оптимальной влажности концентрата (~1,25% на каждые дополнительные 100 см²/г), что приводит к снижению производительности обжиговых машин примерно на 1,2%. Из переизмельченного концентрата получить прочный окатыш затруднительно, так как при этом невозможно достичь максимально возможной плотности при окомковании. С другой стороны, увеличение плотности сырых окатышей вызывает снижение скорости и конечной степени окисления, что отрицательно влияет на производительность обжиговых машин и качество обожженных окатышей. В связи с этим для каждого вида шихты существует оптимальная величина поверхности частиц (при нижнем уровне 1300-1500 см²/г).

Сырые окатыши должны обладать достаточной прочностью во избежание деформации и разрушения при их доставке к обжиговому агрегату, а также хорошей термостойкостью, т. е. способностью не разрушаться при обжиге. Для усиления этих свойств в шихту окатышей вводят связующие добавки (главным образом бентонит, а также его смесь с водой, известь, хлористый кальций, железный купорос, гуминовые вещества). Наибольшее распространение в производстве нашел бентонит, который в количестве 0,5—1,5% вводят в шихту перед окомкованием. Бентонит - это глины, отличающиеся тонкой дисперсностью, ионообменной способностью, высокой степенью набухаемости при увлажнении, связностью, способностью постепенно выделять воду при нагреве. Бентонит в основном состоит из монтмориллонита (Al, Mg)_2-3∙(OH)₂∙(Si₄O₁₀)∙nH₂O и близких к нему по составу минералов. При увлажнении бентонит интенсивно поглощает воду, увеличиваясь в объеме в 15—20 раз. Выбор бентонита обусловлен его способностью при увлажнении образовывать гели с чрезвычайно развитой удельной поверхностью (600—900 м²/г), которая примерно в 7 раз больше поверхности частиц других сортов глины. Бентонит увеличивает пористость сырых окатышей, что благоприятно сказывается на скорости удаления влаги во время сушки окатышей без снижения их прочности.

На современных фабриках окомкования сырые окатыши получают в окомкователях различных типов: барабанных, тарельчатых (или чашевых, рис. 4.6‑4) .

Диаметр тарели современных промышленных грануляторов составляет 5—7 м. Их удельная производительность зависит от свойств шихты и достигает 90 т/ч. Тарельчатые окомкователи, уступая барабанным в производительности и стабильности, обеспечивают получение более равномерных по крупности окатышей, допускают возможность регулирования и оперативной перестройки режима работ. Для тарельчатых окомкователей, как и для барабанных, важное значение имеют сохранение качественного слоя гарнисажа, правильный выбор угла наклона, скорости вращения чаши и влажности материала.

Механическая прочность сырых окатышей должна быть достаточной, чтобы не произошло их разрушение при транспортировке к обжиговым агрегатам. Обычно статические и динамические нагрузки моделируют испытаниями соответственно путем раздавливания и сбрасывания с определенной высоты. Высокотемпературное упрочнение окатышей. В настоящее время более 99% промышленных окатышей получают путем высокотемпературной обработки в обжиговых агрегатах. В производственных условиях используют три типа агрегатов: шахтные печи, конвейерные машины и комбинированные установки. В России для обжига применяют конвейерные машины. Шахтные печи, особенно широко применявшиеся в начальный период развития производства окатышей, в настоящее время практически вытеснены более эффективными конвейерными машинами и комбинированными агрегатами решетка –трубчатая печь.

Производство окатышей в шахтных печах характеризуется низкими эксплуатационными затратами. Исключается необходимость сложных в изготовлении и обслуживании высокотемпературных дымососов. Однако максимальная годовая производительность печей этого типа не превышает 0,5 млн. т ввиду невозможности равномерного распределения газов в печах с большой площадью поперечного сечения. Кроме того, при производстве окатышей в шахтных печах предъявляются повышенные требования к свойствам сырых окатышей. В случае местного оплавления или разрушения материалов образуются настыли на стенках печи и нарушается движение газового потока в столбе материалов. Поэтому шахтные печи приспособлены прежде всего для производства неофлюсованных окатышей, когда допустим больший, чем в случае офлюсованных, интервал колебаний температур без размягчения и оплавления окатышей.

Конвейерная машина по устройству аналогична агломерационным машинам ленточного типа, но приспособлена для работы при более высоких температурах. Отходящие газы отсасываются не одним эксгаустером, как при агломерации, а несколькими. В соответствии с технологией процесса обжига для лучшего использования тепла машина разделена на технологические зоны, перекрытые сверху специальными секциями горна. Тепловой режим в каждой секции устанавливают, как правило, независимо от режима других секций. Газы из каждой зоны отсасываются отдельными дымососами. Обычно конвейерная машина состоит из следующих зон: сушки (одна или две секции), подогрева, обжига (от одной до трех секций), рекуперации и охлаждения. Схема газопотоков, принятая для большинства конвейерных обжиговых машин, предусматривает реверс теплоносителя в зоне сушки, устройство двух зон охлаждения и прямой переток газов из первой зоны охлаждения в зоны подогрева, обжига и рекуперации (рис. 4.6‑5).

Так, конструкции обжиговых машин фирмы «Лурги» (ФРГ) имеют двусторонний подвод теплоносителя в зону сушки и следующее распределение площади по зонам: сушки 20%, подогрева и обжига 35%, рекуперации 7%, охлаждения 38%. Такие машины установлены на СевГОКе в Кривом Роге. Площадь типовых отечественных обжиговых машин составляет 108, 306 и 520 м² .

Современные обжиговые конвейерные машины имеют высокую производительность (3 млн. т/год и выше), позволяют регулировать режим обжига, приспособлены к производству различных видов окатышей из любых концентратов, отличаются простотой конструкции. К недостаткам конвейерных машин следует отнести необходимость применения для изготовления тележек жаропрочных сталей и высокотемпературных дымососов, что усложняет обслуживание машин и повышает эксплуатационные расходы на получение окатышей. Конвейерные машины характеризуются также повышенным расходом тепла на процесс (850—1250 МДж/т и выше).

В 1960 г. на фабрике «Гумбольдт» (США) для обжига был применен комбинированный агрегат производительностью 0,8 млн. т окатышей в год (рис. 4.6‑6): облегченная конвейерная машина для сушки и подогрева окатышей и трубчатая вращающаяся печь для высокотемпературного обжига. Низкотемпературные процессы сушки и подогрева протекают на конвейерной машине, высокотемпературные — в футерованной огнеупорами печи.

Газы, отходящие из трубчатой печи, просасываются сквозь слой окатышей на колосниковой решетке вначале в зоне подогрева, а затем в зоне сушки, поэтому расход тепла на процесс сравнительно невелик и составляет 650—920 МДж/т окатышей. Число высокотемпературных дымососов сокращается до 1—2 по сравнению с 3—4 на конвейерной машине.

На установке можно поддерживать наиболее высокие температуры обжига. Недостатками этого агрегата являются настылеобразование в трубчатой печи из-за местных явлений оплавления, применение низкого слоя окатышей на конвейерной машине, увеличение продолжительности обжига, повышенные требования к прочности подогретых окатышей. По такой схеме работает Полтавский ГОК (Украина).

При термической обработке окатыши последовательно подвергаются сушке, подогреву, обжигу, рекуперации и охлаждению. Типичное распределение температур по высоте слоя окатышей показано на рис. 4.6‑7.

Сушат окатыши газом-теплоносителем, нагретым до 300—500 °С из соображений термостойкости окатышей. Для обеспечения нормального технологического режима в зоне сушки необходимо удалить не менее 90% влаги окатышей.

При низкой температуре газа-теплоносителя нижние слои окатышей (или верхние при подаче газа снизу) переувлажняются. Поскольку окатыши не прогреваются до полного удаления влаги, в зону подогрева они поступают холодными.

При этом либо нарушается режим обработки, либо разрушаются окатыши. Наоборот, хорошо высушенный и прогретый слой окатышей позволяет ускорять процесс обжига. Подсушенные окатыши подогревают при температуре газа 800—1200 °С. При нагреве окатышей протекает ряд процессов — разложение гидратов и карбонатов, окисление оксидов железа, твердофазные реакции и др. 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.

Степень протекания этой реакции зависит от скорости окисления магнетита, так как гематит с кварцем не реагирует. 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 и др.) 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.

Температура в зоне подогрева определяет скорость нагрева окатышей до температуры обжига, которая в свою очередь существенно влияет на параметры упрочнения и конечные свойства окатышей. При окислительном упрочняющем обжиге имеет место окисление магнетита до гематита, сопровождающееся заметным выделением тепла:

2Fe₃O₄ + 0,5 О₂ = 3Fe₂O₃ + 231 МДж. (4.6‑6)

Скорость процесса окисления зависит от удельной поверхности пор образцов и состава газовой фазы. Окислительный обжиг ведут при 1200-1350 °С. Время обжига для конвейерных машин составляет 7—12 мин. На зону обжига окатышей приходится 75-85% общего расхода тепла.

На обжиговых машинах конвейерного типа, распространенных в России, обжиг завершается в зоне рекуперации, где через слой окатышей просасывается нагретый воздух 300—800 °С), поступающий из зоны охлаждения. Эффективность теплопереноса зависит от энтальпии слоя окатышей и удельного расхода воздуха через слой. Основной производственной характеристикой экономичности процесса обжига окатышей служит расход теплоносителя — природного газа.

Поведение вредных примесей. В обычных условиях окислительного упрочняющего обжига большинство вредных примесей (кроме серы): фосфор, мышьяк, цинк и др. из окатышей не удаляется.