Окускование железорудных материалов

 

Высокое содержание железа в железорудном сырье доменной плав­ки является основой высоких технико-экономических показателей рабо­та доменных печей: большой производительности при низком удельном расходе кокса.

Увеличение содержания железа в железорудном сырье доменной плавки достигается путей его обогащения. Эффективность обогащения (содержание железа в концентрате, извлечение железа в концентрат) повышается с увеличением степени измельчения обогащаемой руды.

Полученные в результате обогащения тонкие концентраты, а также мелкие руды не могут непосредственно проплавляться в доменной печи вследствие низкой газопроницаемости и большого выноса их из печи в виде пыли. Поэтому перед использованием в доменной плавке тонкоизмельченные концентраты и рудную мелочь окусковывают, то есть получают из них железорудное сырье с размерами кусков, обеспечивающих нормальное течение доменного процесса. Из известных способов окускования железорудных материалов наибольше распространение получили агломерация и производство окатышей.

 

Агломерация железных руд

Агломерацией - процесс окускования мелких руд путем их расплавления за счет сжигания в спекаемом слое твердого топлива с последующей кристаллизацией расплава при его охлаждении в прочный пористый сросток – агломерат. Агломерацию осуществляют прососом воздуха через слой горящей шихты, представляющей собой тщательно перемешанную, увлажненную до оптимальных пределов и окомкованную смесь разнородных по химическому составу и крупности материалов.

Описание агрегата для производства агломерата.

Схема современной конвейерной (ленточной) агломерационной машины (рисунок 17) представляет собой непрерывно движущийся желоб, образуемый спекательными тележками (палетами) 4, перемещающимися по направляющим рельсам 2.

 

1 – барабанный питатель для загрузки шихты; 2 – направляющие рельсы; 3 – зажигательный горн; 4 – спекательные тележки (палеты); 5 – звездочка на разгрузочной части машины; 6 – вакуум-камеры; 7 - приводное колесо (звездочка).

Рисунок 17 - Схема агломерационной машины

 

Барабанным питателем 1 на палеты загружается шихта, через которую непрерывно просасывается воздух. Отходящие из слоя шихты газы попадают в вакуум-камеры 6, очищаются от пыли в пылеуловителях, поступают в эксгаустер и выходят через дымовую трубу.

Агломерационная машина состоит из следующих основных узлов: каркаса, спекательных тележек, привода, головной, средней и разгрузочной частей машины, питателя постели и двух питателей шихты с приводом, зажигательного горна, газоотсосных вакуум-камер, бункера просыпи и механизма очистки колосников. Ширина палет агломерационных машин достигает 6 м.

Шихтовые материалы для получения агломерата.

В агломерационной шихте используют руду крупностью 0-8 мм, возврат 0-10 мм, коксик 0-3 мм, флюс (известняк, доломитизированный известняк, обожженный известняк) 0-3 мм, концентрат 0-0,1 мм и добавки других мелких материалов – отходов металлургических производств (колошниковая пыль, окалина, пиритные огарки, шламы и др.) с целью утилизации содержащихся в них железа и углерода.

Флюс вводят в шихту в количествах, обеспечивающих полный или частичный вывод из шихты доменных печей сырого известняка. Агломерат в этом случае называют офлюсованным. Агломерат, полученный из шихт без добавки известняка, называют неофлюсованным.

Плавка в доменных печах офлюсованного агломерата, по сравнению с неофлюсованным, сопровождается снижением удельного расхода кокса на выплавку чугуна и увеличением производительности доменных печей, главным образом, за счет уменьшения в доменном процессе затрат тепла на разложение флюса и улучшения условий шлакообразования.

Использование в аглошихте обожженного известняка, то есть извест­няка, содержащего в основном не СаСО₃, a CaО, улучшает газопроницаемость спекаемого слоя и вследствие этого повышает производительность агломерационных машин.

Возвратом называют оборотный продукт агломерационного производства, представляющий собой плохо спеченный, мелкий, непрочный с повышенным содержанием серы, углерода и с пониженным закиси железа агломерат. Использование его в аглошихте улучшает ее газопроницаемость и способствует тем самым повышению производительность агломерационных машин.

Агломерационная шихта приблизительно содержит железорудных материалов 60-70, возврата 15-40, коксика 4-9, флюса 6-12 и не боле 5-10 % отходов металлургических производств.

Содержание в шихте коксика и флюса зависит от минералогического типа железорудного концентрата и основности агломерата, то есть отношения в нем СаО/SiO₂. Агломерация магнетитовых концентратов, по сравнению с гематитовыми, сопровождается меньшим расходом коксика и флюса. Это связано с тем, что при агломерации магнетитовых концентратов процесс в целом носит окислительный характер (Fe₃O₄ окисляется до Fe₂O₃) и появляется дополнительный источник тепла вследствие того, что окисление Fe₃O₄ до Fe₂O₃ идет с выделением тепла. Кроме того, в магнетитовых концентратах сера содержится в виде пирита FeS₂ и пирротина FeS, выгорание которой при агломерации также сопровождается выделением тепла.

При агломерации гематитовых концентратов этих дополнительных источников тепла нет. Более того, процесс агломерации гематитовых концентратов в целом является восстановительным, вследствие чего появляется дополнительный потребитель тепла, так как диссоциация Fe₂O₃ до Fe₃O₄ и восстановление Fe₃O₄ до FeO идёт с поглощением тепла.

Магнетитовые концентраты, по сравнению с гематитовыми, имеют большую основность, поэтому для получения из них офлюсованного агломерата такой же основности, как и из гематитовых концентратов, требуется меньший расход флюсов. Уменьшение же содержания флюсов в шихте сокращает затраты тепла в аглопроцессе на его разложение и, как следствие, дает возможность снизить расход коксика в аглошихту.

Агломерация бурых железняков также требует повышенного расхода коксика на компенсацию затрат тепла, связанных с разложением гидрооксидов железа.

Технологические операции производства агломерата:

1. Дозировка компонентов шихты в массовых соотношениях, обеспечивающих получение агломерата заданного химического состава. Для дозированной выдачи материала из бункера применяют специальные устройства – дозаторы, из которых наиболее распространены тарельчатые и ленточные.

2. Перемешивание шихты естественной влажности с целью получения агломерата более однородного качества. Перемешивание шихты осуществляют в шнековых смесителях корытного типа с интенсивным «перелопачиванием» ее лопастями шнеков или в барабанных смесителях, вращающихся вокруг продольной оси, за счет многократного изменения положения зерен компонентов шихты относительно друг друга при движении их в смесителе по сложным, взаимно пересекающимся траекториям.

3. Окомкование шихты, увлажненной до оптимального предела. Увлажнение шихты до оптимальной влажности (при агломерации магнетитовых железняков 6-8, красных железняков 8-10, бурых железняков 14-18 %) и окомкование ее совмещают в одном агрегате – барабанном окомкователе. В результате пересыпания увлажненной шихты в барабане из пылеобразного материала получаются влажные комки размером 0,5–5 мм. Это придает слою шихты газопроницаемость, что повышает производительность агломерационного процесса.

4. Загрузка шихты специальным питателем на колосниковую решетку спекательных тележек (паллет) агломерационной машины.

5. Зажигание с помощью зажигательного горна, работающего на газообразном и жидком топливе, коксика верхнего слоя шихты и протекание процесса агломерации.

6. Выдача (сбрасывание с рабочей ветви агломашины) аглоспека, его дробление и грохочение с целью выделения возврата, охлаждение и транспортировка в доменный цех.

 

Собственно процесс спекания протекает следующим образом.

На колосниковую решетку загружают слой постели - агломерата, с крупностью частиц 10–20 мм, который предотвращает просыпание аглошихты вниз. Затем на слой пастели загружают шихту на движущуюся колосниковую решетку агломераци­онной машины слоем 200-600 мм.

Под колосниковой решеткой, перемещающейся над вакуум-камерами, с помощью эксгаустера (мощного вентилятора) создают разрежение до 7-12 кПа, вследствие чего воздух просасы­вается через слой шихты. В голове агломерационной машины одновремен­но с началом прососа воздуха через шихту осуществляет зажигание коксика её верхнего слоя посторонним источником тепла, нагревающим верхний слой шихты до 1000-1100 ˚С, то есть до температур, обеспечивающих воспламенение углерода коксика.

Агломерационный процесс начинается с момента зажигания шихты и заканчивается с подходом зоны горения к слою пастели. Спустя некоторое время после зажигания в спекаемом слое шихты можно выделить ряд зон, частично перекрывающих друг друга и расположенных в следующем порядке (сверху вниз):

а) готового агломерата;

б) горения топлива и образования расплава с температурами 1300–1600°С;

в) подогрева;

г) сушки (испарения гигроскопической влаги);

д) переувлажнения, в которой содержание влаги на 20-30 % выше, чем в шихте, приготовленной к спеканию, вследствие конденса­ции водяных паров газового потока;

е) конденсации, в которой температура горячего газового потока при соприкосновении с холодной шихтой понижается ниже точки росы (50-55 ˚С), вследствие чего происходит конденсация во­дяного пара, выносимого газовым потоком из зон подогрева (гидратная влага) и сушки (гигроскопическая влага);

ж) шихты, не претерпевшей никаких, кроме усадки, изменений.

Эти зоны после их возникновения продвигаются в спекаемом слое по направлению к колосниковой решетке со скоростью спекания и исчезают в обратной последовательности, в результате чего на колосниковой решетке остается только агломерат.

Процесс осуществляется весьма рационально: в зону горения поступает воздух, подогретый за счет охлаждения агломерата, а выходящие продукты горения подогревают шихту, полностью отдавая теплоту, и, охлажденные до 60–70 °С, удаляются через колосниковую решетку. Только после сближения зоны горения и постели температура отходящих газов повышается до 350–400 °С. Таким образом, весь объем спекаемой шихты последовательно нагревается до 1300–1600 °С при малом расходе топлива (4–6% от массы шихты).

При агломерации протекают следующие физико-химические процессы:

1. Горение углерода в спекаемом слое протекает по реакциям:

 

С + О₂ → СО₂ + 400,428 МДж; (16)

С + ½ О₂ → СО+ 117,845 МДж. (17)

 

2. Разложение карбонатов CaCO₃, MgCO₃, FeCO₃, MnCO₃.

Диссоциация карбонатов протекает по схеме:

 

MeСО₃ → MeО + СО₂ – Q. (18)

 

 

Если известняк находится в кусках крупнее 1–2 мм, то прогрев его замедляется, известь с другими минералами взаимодействует не полностью, поэтому в агломерате остается непрореагировавшая свободная известь. Она подвергается гашению влагой атмосферы, объем ее увеличивается, что приводит к разрушению агломерата. Поэтому важнейшим технологическим требованием является дробление известняка до кусков размером меньше 2 мм.

3. Диссоциация и восстановление оксидов железа. В процессе агломерации создаются условия, как для восстановления оксидов железа, так и для окисления металлического железа. Эти процессы происходят в невысоком слое, включающем верхнюю часть зоны подогрева шихты, зону горения и в некоторой степени зону готового агломерата.

В зоне горения, т.е. в области наиболее высоких температур, протекает термическая диссоциация Fe₂O₃ по реакции:

 

3Fe₂O₃ → 2Fe₃O₄ + ½ О₂. (19)

 

В зоне спекания, при наличии высокой температуре и СО, интенсивно идут процессы восстановления оксидов железа. Процессы восстановления протекают по схеме:

 

3Fe₂O₃ + СО → 2Fe₃O₄ + СО₂; (20)

Fe₃O₄ + СО → 3FeO + СО₂; (21)

FeO + СО → Fe + СО₂. (22)

 

Концентрация восстановителя недостаточна, поэтому восстановление протекает, до Fe₃O₄ и в гораздо меньшей степени до FeO. Восстановление же до металлического железа почти не проходит.

Восстановленные в зоне спекания оксиды железа охлаждаются воздухом в зоне охлаждения агломерата. Это создает условия для обратного окисления магнетита по уравнению реакции:

 

4Fe₃O₄ + О₂ → 6Fe₂O₃. (23)

 

Таким образом, при спекании гематитовых шихт выделяющийся кислород поступает в газовую фазу, а при спекании магнетитов – расходуется из подаваемого воздуха на окисление шихты. Важным является и то, что процесс окисления магнетитовой шихты сопровождается значительным выделением теплоты. Кроме того, теплота не используется на диссоциацию гематита. Это приводит к снижению расхода топлива при спекании магнетитовых руд.

4. Удаление серы.

В железных рудах и концентратах сера находится в форме сульфидов: пирита FеS₂, реже пирротина FeS или сульфатов: СаSO₄ или ВаSО₄.

Пирит FeS₂ и пирротин FeS начинают окисляться при температуре 250-280 °С по реакциям:

 

4FeS₂ + 11О₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂; (24)

4FeS + 7O₂ = 2Fe₂O₃ + 4SO₂. (25)

 

При температуре выше 1383 °C по реакциям:

 

3FeS₂ + 8О₂ = Fe₃O₄ + 6SO₂; (26)

3FeS + 5О₂ = Fe₃O₄ + 3SO_2. (27)

 

Происходит также взаимодействие оксидов железа с сульфидами:

 

16Fe₂O₃ + FeS₂ = 11Fe₃O₄ + 2SO₂ (при t>500 °C); (28)

10Fe₂O₃ + FeS = 7Fe₃O₄ + SO₂ (при t>1100 °C). (29)

 

При температурах до 900-1000 °С известь, известняк и ферриты кальция поглощают SO₂ из газа по реакциям:

 

СаО + SO₂ + 0,5Н₂О = CaSO₃·0,5H₂O; (30)

CaSO₃·0,5H₂O = CaSO₃ + 0,5Н₂О; (31)

CaSO₃ + 0,5О₂ = CaSO₄. (32)

 

Таким образом, удаление серы улучшается при наличии окислительной атмосферы, высокой температуре, высокой контактной поверхности частиц и низкой основности. При оптимальных условиях степень удаления сульфидной серы может достигать при агломерации 95-99%.

5. Процесс образования готового агломерата. Формирование структуры агломерата, определяет важнейшее его качество – прочность. Этот процесс можно разделить на следующие этапы: а) взаимодействие в твердых фазах, образование новых минералов, перекристаллизация; б) образование жидких фаз; в) пропитка жидкими фазами твердых частиц и химическое взаимодействие с ними; г) кристаллизация жидких фаз, образование структуры окускованного материала.

При нагреве шихты в процессе спекания создаются благоприятные условия для взаимодействия между оксидами, входящими в состав шихты. Образующиеся в процессе агломерации оксиды CaO, Fe₃O₄, FeO и находящиеся в шихте SiO₂, Fe₂O₃, Fe₃O₄ и другие соединения вступают между собой в химические взаимодействия с образованием легкоплавких соединений, образующих жидкую фазу. Продуктами их взаимодействия являются три типа соединений: силикаты кальция Са₂SiО₄, силикаты железа 2FеО∙SiO₂ и ферриты кальция 2СаО∙Fе₂О₃.

Образующаяся жидкая фаза, растекаясь по твердым частицам, обволакивают и склеивают их. При охлаждении этого слоя жидкость кристаллизуется, образуя твердый прочный сросток - агломерат.

В целом минералогический состав агломерата определяется составом пустой породы и расходом топлива:

- с повышением основности агломерата – повышается массовая доля ферритов и силикатов кальция, снижается доля гематита, магнетита и вюстита;

- с повышением расхода топлива в зависимости от уровня основности увеличивается количество магнетита, вюстита, железокальциевых оливинов и фаялита за счет уменьшения гематита и кремнезема.

Состав агломерата для разных заводов колеблется в пределах, %: Feобщ. - 47 -58; FeO – 9 -17; Mn – 0,2 – 0,6; SiO₂ – 8 – 13; СаО – 8 -17; Al₂O₃ – 1,0– 2,5; MgO – 1- 3; S – 0,03- 0.1.

 

Основными технико-экономическими показателями процесса агломерации являются производительность агрегата и качество получаемого агломерата.

Производительность агломашины в значительной мере зависит от скорости горения углерода в слое шихты. Она определяется количеством подаваемого в зону горения кислорода и зависит от газопроницаемости спекаемого слоя, которая, в свою очередь, определяется степенью окомкования шихты перед спеканием и ее увлажнением. Производительность современных агломашин составляет 1-1,4 т/м² в час.

Производительность конвейерных машин для производства агломерата и окатышей находят по формуле, т/ч:

 

Р = 60∙В∙Н∙υ∙γ∙К, (33)

 

где Н - ширина машины, м;

В - высота слоя шихта, м;

γ - насыпная масса слоя, т/м³;

υ∙- скорость движения паллет, м/мин;

К - выход годного продукта из шихты, т/т.

Качество агломерата

К агломерату предъявляют следующие требования.

1. Максимальное содержание железа, оптимальные основность и содержание FeO, а также минимальное количество вредных примесей.

2. Высокая механическая прочность, пористость и оптимальный гранулометрический состав.

3. По физико-химическим свойствам: высокие восстановимость и температура начала размягчения.

Первая группа требований зависит от свойств сырья, усреднения, обогащения и дозирования; вторая и третья – от технологии спекания.

Физико-химические свойства. Восстановимость агломерата, зависит от его минералогического состава и пористости, она увеличивается с ростом основности, т.к. при этом происходит замена трудновосстановимой оливиновой связки на легковосстановимую феррито-кальциевую. Максимальная восстановимостью обладают агломераты с основностью 1,4–1,5.

Температура начала размягчения современных офлюсованных агломератов составляет 1050–1250 °С.

Физические свойства. Крупность кусков агломерата должна быть не менее 5 мм. Оптимально 20-50мм.

Холодная прочность препятствующая разрушению агломерата при его транспортировке и загрузке в печь; горячая – препятствующую разрушению под воздействием давления столба шихты в доменной печи при высоких температурах.

Холодную прочность агломерата определяют во вращающемся барабане с последующим ситовым анализом (ГОСТ 15137-77). В барабан диаметром 1000 мм и шириной 500 мм загружается проба агломерата массой 15 кг фракции +15 мм и вращается со скоростью 25 об/мин в течение 8 минут. Выход класса более 5 мм (%) характеризует сопротивление материала на удар, содержание класса менее 0,5 мм характеризует истирание материала.

Горячую прочность агломерата определяют во вращающемся барабане в атмосфере СО–СО₂ при нагреве или по газопроницаемости сдавливаемого нагретого слоя агломерата. Повышенной горячей прочностью обладает агломерат с содержанием 7-10% FeO.

Пористость агломерата в значительной степени определяет его восстановимость, она составляет для промышленных агломератов от 25 до 45%.

Производство 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.

Основным способом окускования тонкоизмельченных концентратов с целью успешной выплавки чугуна является их окомкование в увлажненном состоянии с последующим обжигом комков (окатышей) размерами 8-25 мм при температуре 1250-1350^оС, в процессе которого они приобретают надлежащую прочность и теряют часть серы.

На рисунке 18 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 тарельчатый гранулятор 5, в котром формируютс сырые окатыши. Перед гранулятором для лучшего окомкования к шихте добавляют 0,3–1,5% бентонита (чаще 0,5–1% от массы шихты), а на шихту в грануляторе подается вода. Образовавшиеся на грануляторе окатыши направляются в устройство для обжига.

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 18 - Схема производства окатышей

 

Главные этапы процесса производства окатышей: получение сырых окатышей и их обжиг.

Получение сырых окатышей включает в себя следующие операции:

1 Дозирование компонентов шихты в весовых соотношениях, обеспечивающих получение окатышей заданного химического состава.

2 Перемешивание шихты с целью получения однородной смеси.

3 Увлажнение шихты и окатывание ее в окатыши во вращающемся тарельчатом или барабанном окомкователе. Операции увлажнения шихты и ее окомкования совмещаются в окомкователе.

4 Выдача годных окатышей крупностью 10-25 мм и транспортировка их к обжиговым машинам.

Производят два вида окатышей - неофлюсованные и офлюсованные.

В состав шихты при производстве неофлюсованных окатышей входят концентрат и бентонит, офлюсованных - концентрат, известняк и бентонит. Все эти материалы имеют крупность менее 0,074 мм.

Известняк вводят в шихту в количествах, обеспечивающих полный или частичный вывод из шихты доменных печей сырого известняка.

Бентонит - тонкодисперсную глину - используют в шихте в небольших количествах (0,5-1,0%) с целью улучшения условий формирования окатышей в окомкователях и приобретения ими более правильной шарообразной формы за счет повышения пластических свойств окомковываемой шихты.

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.

Принципиально процесс окатывания в данном случае 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.

Для окомкования используют барабанные или дисковые грануляторы. Барабанный гранулятор аналогичен окомкователю аглошихты. Тарельчатый гранулятор - плоская чаша диаметром 5,5 м с бортами, расположенную под углом 40–60° к горизонтали.

Производительность 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.

Прочность сырых окатышей, обеспечивающая их сохранность при транспортировке к обжиговым агрегатам и в процессе обжига, оказывает решающее влияние на качество обожженных окатышей и производительность фабрики.

За прочность на раздавливание принимают среднюю вертикальную нагрузку на один окатыш в килограммах (ньютонах), при которой в окатыше появляется трещина.

За сопротивление удару принимают количество сбрасываний окатыша с высоты 300 мм на стальную плиту до появления в нем трещины.

На фабриках окатышей в СНГ прочность сырых окатышей на раздавливание составляет 13-15 Н/окатыш и они выдерживают без разрушения более 10 сбрасываний с высоты 300 мм на стальную плиту.

Сырые окатыши направляют на обжиг.

Обжиг сырых окатышей производят с целью повышения их прочности с тем, чтобы обеспечить целостность окатышей при перевозках, перегрузках, длительном хранении не открытых складах и уменьшить разрушение их при нагреве в восстановительной атмосфере доменной печи.

Упрочнение является результатом спекания и слипания мелких частиц железорудных материалов, нагретых до температуры размягчения и плавления.

Физико-химические превращения по мере повышения температуры протекают в следующей последовательности.

1. Окисление магнетита до гематита по реакции:

 

4Fe₃О₄ + О₂ → 6Fe₂О₃. (34)

 

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 гематита – 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. (35)

 

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.

Наиболее распространен обжиг окатышей на конвейерных машинах, которые по устройству аналогичны агломерационным. 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 19). 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).

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

Рисунок 19 - Схема конвейерной машины для обжига окатышей

 

Зона сушки занимает 20-22, подогрева 8-10, обжига 26-28, рекуперации 6-7, охлаждения 38-42% рабочей площади машины.

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 рекуперации V начинается охлаждение окатышей. Зона рекуперации служит для выравнивания температуры окатышей по высоте слоя. Это достигается тем, что в ней через слой окатышей просасывается горячий воздух из зоны охлаждения VI. В связи с тем, что температура его на 400-500^оС ниже температуры окатышей верхних горизонтов, он нагревается, охлаждая их, и переносит тепло в нижние горизонты слоя, нагревая находящиеся там окатыши.

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.

Скорость нагрева окатышей регулируют изменением температуры газа-теплоносителя и его расхода. Скорость охлаждения - изменением количества воздуха, продуваемого снизу вверх через слой окатышей. Доохлаждение окатышей иногда производят в специальных охладителях.

Охлажденные окатыши подвергаются грохочению для выделения из них товарных (годных) окатышей (10-15 мм), постели и возврата (класс 0-5 мм). Окатыши, предназначенные для постели, загружают на колосники и к бортам обжиговых тележек перед загрузкой на них слоя сырых окатышей. Донная и бортовая постели предназначены для предохранения обжиговых тележек от воздействия высоких температур.

Возврат – продукт разрушения окатышей, который добавляют (возвращают) в шихту или отправляют на аглофабрику.

Качество окатышей

Окатыши должны иметь максимальное содержание железа, высокую механическую прочность (в сыром и обожженном состояниях), минимальные содержания серы и мелочи, оптимальную основность и ситовый состав.

Содержание железа зависит от подготовки концентрата, а основность – от состава шихтовых материалов.

Прочность окатышей обычно оценивается по двум показателям:

- прочность при испытании на раздавливание – требуется более 2,5 кН/окатыш;

- прочность на истирание после испытания в барабане, которая оценивается по выходу фракции 0-0,5 мм – требуется менее 3%;

- прочность на удар после испытания в барабане, которая оценивается по выходу фракции >5 мм – требуется не менее 95%;

- прочность на истирание (в барабане) после восстановления, которая оценивается по выходу фракции 0-0,5 мм – требуется менее 5%;

- прочность на удар (в барабане) после восстановления, которая оценивается по выходу фракции >5 мм – требуется не менее 80%;