Агломерация рудных материалов

Коротич В.И., Фролов Ю.А., Бездежский Г.Н.

"ГОУ ВПО ""УГТУ-УПИ""", 2003 г.

2.1.1.Устройства для приема на аглофабрике шихтовых материалов

Компоненты агломерационной шихты (руда, концентрат, топливо, флюсы, добавки) поступают на агломерационные фабрики, как правило, железнодорожным транспортом и разгружаются в специальные приемные бункеры, откуда затем системой конвейеров подаются на усреднительные склады. Количество и емкость приемных бункеров выбираются из расчета разгрузки железнодорожных составов в установленные нормами МПС сроки.

Обычно приемные бункеры заглублены в землю на 10-12 м, закрыты сверху металлическими решетками 100x100 или 200x200 мм (во избежание попадания негабаритных кусков). Для защиты от осадков над бункерами сооружают здания легкого типа. Приемные бункеры на агломерационных фабриках часто разбиты на три группы, одна из которых служит для приема руды и концентратов, другая — топлива и добавок и третья — флюсов. Целесообразно эти группы бункеров располагать на различных железнодорожных путях для ускорения разгрузки составов. Разгрузка материалов из гондол и хлопперов производится путем открытия люков. На больших фабриках для разгрузки используют роторные вагоноопрокидыватели большой производительности (до 1500 т/ч).

При строительстве агломерационных фабрик в районах с суровой зимой необходимо предусматривать специальные установки для размораживания железнодорожных вагонов, так как различные способы предупреждения смерзания материалов в пути следования (добавление поваренной соли, хлорной или негашеной извести, опилок, соломы, торфа и др.) трудоемки и малоэффективны, а сушка влажного концентрата является дорогой операцией.

2.2. ПОДГОТОВКА КОМПОНЕНТОВ ШИХТЫ К СПЕКАНИЮ

Агломерационный процесс может быть высокопроизводительным и давать качественный агломерат только при условии соответствующей подготовки компонентов шихты к спеканию. В первую очередь это касается их гранулометрического состава. Если по минимальному размеру частиц шихты ограничений не имеется (за исключением твердого топлива), то по условиям теплообмена существует предельный максимальный размер кусочков компонентов шихты: для рудного материала и возврата это 6-8 мм, а для флюса-известняка — 3 мм; частицы большего размера за 2,0-2,5 мин воздействия высоких температур не успевают прогреться и усвоиться расплавом и останутся в виде отдельных включений в кусках агломерата, снижая их прочность.

Таким образом, железорудные концентраты (состоящие в основном из частичек менее 0,1 мм) не требуют какой-либо специальной подготовки к спеканию. Единственным затруднением при их использовании может быть чрезмерно высокая влажность — до 10-12% (из-за неудовлетворительной работы вакуум-фильтров на обогатительных фабриках). На некоторых агломерационных фабриках в этих случаях производят «известкование» концентратов, т.е. добавляют к влажному концентрату некоторое количество обожженной извести и после смешивания укладывают в штабель на несколько суток. Главная проблема при этой операции — равномерное распределение извести в концентрате.

Поступающий в агломерационную шихту возврат на некоторых фабриках имеет кусочки размером до 12-15 мм, что, естественно, отрицательно сказывается на качестве производимого агломерата. К сожалению, в практике отечественной металлургиидробление возврата до 6-8 мм не применяется.

Поступающие на агломерационные фабрики твердое топливо — кокс и флюс — известняк также не удовлетворяют требованиям агломерационного процесса: их нужно измельчать.

2.2.1. Подготовка известняка

Исследованиями и многолетней практикой установлено, что максимальный размер частичек известняка агломерационной шихте не должен превышать 3 мм. В этом случае происходит полная диссоциация СаС0₃ и усвоение образующегося СаО расплавом.

На ряде агломерационных фабрик измельчение известняка осуществляют в стержневых мельницах. Но лучшие технико-экономические показатели получаются при использовании молотковых дробилок. Дробление осуществляют в замкнутом цикле: дробление до 8-10 мм с последующим контрольным грохочением на грохотах с ячейками на ситах 3 мм. Фракция 3-10 мм возвращается на повторное дробление. Ситовый состав дробленого известняка приведен в табл. 1.9 и на рис. 2.24.

Исследованиями, проведенными в 50-е гг. прошедшего столетия, показано, что использование в агломерационной шихте обожженной извести (до 5-8%) приводит к существенному улучшению окомкования агломерационной шихты и к значительному повышению производительности агломерационных установок — на 30-60%. Н. 3. Плоткин сконструировал два типа машин для обжига известняка (крупной фракции после дробления в молотковой дробилке) — ОПР и ПОР [63]. Процесс обжига на этих машинах осуществлялся подобно агломерационному: на колосниковую решетку загружалась слоем 150-200 мм смесь кусочков известняка 3-10 мм с 10-12% коксика. После «зажигания» шихты начинались горение частичек коксика 5-8 мм в слое известняка и его диссоциация. Процесс продолжался около 10 мин. Степень обжига составляла 45-75%. Нельзя признать удачным подобный способ обжига известняка — из-за относительно невысокой удельной поверхности слоя и низкой температуры горения углерода (не выше 1000°С вследствие больших затрат тепла на диссоциацию СаС0₃) зона горения распространяется почти на всю высоту слоя, т.е. исчезает главное достоинство нормального агломерационного процесса — «концентрация» тепла в узкой зоне. Это ведет к снижению коэффициента использования тепла — к повышению расхода топлива. Другим серьезным недостатком обжига известняка при горении топлива в слое является получение так называемого'«мертвого обжига», когда поверхность обожженных кусочков извести покрывается шлаковой пленкой, образующейся в результате взаимодействия СаО с SiO₂ и А1₂О_э золы кокса. Такие частички не взаимодействуют с водой с образованием Са(ОН)₂, т. е. не выполняют своего предназначения.

2.3.1. Расчет агломерационной шихты

С целью получения агломерата заданного качества (в первую очередь заданного химико-минералогического состава) предварительно производят расчет шихты. В некоторых случаях - в проектных проработках—расчет выполняют для того, чтобы определить, какой химический состав агломерата можно получить из железорудных материалов данного типа. Обычно расчетом шихты преследуется цель подобрать такое соотношение железорудных материалов и флюсов, чтобы получить окускованный продукт с заданными содержанием железа и основностью СаО : SiO₂.

Расходы основных железорудных компонентов и флюсов (за исключением твердого топлива, содержание которого выбирают по практическим данным, и добавок, количеством которых задаются) определяют решением системы уравнений, соответственно: баланс по железу; уравнение по основности и материальный баланс:

Основные понятия о сыпучем материале

Шихты для производства агломерата и окатышей относятся к категории сыпучих материалов. Под сыпучим материалом понимают совокупность мелких по сравнению с занимаемым объемом твердых частиц, между которыми существует трение, а иногда и небольшое сцепление (во влажных материалах). По свойствам сыпучие материалы занимают промежуточное положение между твердыми телами и жидкостями. От твердых тел сыпучие материалы отличаются отсутствием сопротивления растягивающим усилиям. Подобно жидкости, сыпучий материал при загрузке в какой-либо сосуд (бункер) принимает его форму. В то же время от жидкости сыпучие материалы отличаются ограниченной подвижностью частиц вследствие значительных сил трения и сцепления. При сдвиге одной части сыпучего тела относительно другой возникают внутренние силы сопротивления сдвигу, природа которых различна. Один тип сил — сцепление — представляет собой так называемое «начальное» сопротивление сдвигу при отсутствии нормальных напряжений. Силы сцепления отдельных частичек сыпучего материала обусловлены главным образом наличием на поверхности зерен пленок воды или другого клеящего вещества.

Другим типом сил, препятствующим взаимному перемещению отдельных слоев сыпучего материала, является внутреннее трение. В отличие от сцепления величина внутреннего трения сыпучего материала зависит от нормального давления.

Внешне подвижность частиц сыпучего материала характеризуется углом естественного откоса. Для идеально сыпучих материалов он совпадает с углом внутреннего трения.

Одним из специфических свойств сыпучего материала является возможность слеживания. Слеживаемостью называется свойство некоторых материалов терять сыпучесть после длительного хранения в результате уплотнения их структуры. Опасность слеживания увеличивается с повышением влажности, времени хранения и высоты слоя материала.

Истечение сыпучего материала из бункера является процессом сложным и малоизученным. По существующим представлениям, общая схема истечения сыпучего материала из бункеров может быть представлена следующим образом.

Начиная с момента открытия разгрузочного отверстия и до конца выпуска истечение последовательно проходит через три принципиально различные фазы (рис. 2.9). Фаза I начинается от момента открытия выпускного отверстия и существует относительно небольшое время. В начальный период в выпускное отверстие

Рис. 2.9. Схема движения сыпучего материала в бункере при его опорожнении

поступают частицы из объема материала, расположенного непосредственно над отверстием. Этот объем материала переходит в разрыхленное состояние. С течением времени разрыхленная зона увеличивается в размерах (соответственно 1-5), особенно сильно вытягиваясь в высоту. По форме разрыхленный объем напоминает эллипсоид вращения. В течение фазы I из бункера выходит материал, расположенный в области эллипсоида разрыхления. Остальной материал в бункере остается неподвижным.

Фаза II истечения характеризуется постоянством размеров эллипсоида разрыхления. Материал, выходящий из отверстия бункера в фазе II, как и ранее, поступает в него из эллипсоида разрыхления, а в последний — из расположенных выше слоев материала 1-5. При этом материал в бункере выше эллипсоида разрыхления опускается по всему сечению бункера с несколько повышенной скоростью над эллипсоидом разрыхления.

Фаза II продолжается до момента подхода поверхности материала к вершине эллипсоида разрыхления. С этого момента истечение материала переходит в фазу III. На поверхности материал ла образуется воронка выпуска с углом наклона конической поверхности, близким к углу естественного откоса. По поверхности воронки материал от стенок бункера ссыпается в зону разрыхления, расположенную над выпускным отверстием.

Шихтовые бункеры. Шихтовые бункеры агломерационных фабрик, как правило, комбинированные: в верхней части бункера стенки вертикальные, в нижней части они наклонены под некоторым углом к горизонту. В горизонтальном сечении бункеры имеют квадратную или круглую форму.

Основным технологическим требованиям к конструкуции бункеров является обеспечение равномерного, устойчивого выхода из них сыпучего материала.

Процесс истечения материала из бункера зависит, во-первых, от правильного выбора формы бункера, в частности от углов наклона его стенок, во-вторых, от размеров и формы выпускного отверстия и, в-третьих, от тщательности изготовления и монтажа бункера, от степени шероховатости внутренней поверхности. Всякие площадки в местах перехода одной части бункера в другую, швы электросварки, выступающие головки болтов облегчают образование сводов и затрудняют выход материала.

С точки зрения максимального использования объема здания шихтового отделения, углы наклона стенок бункеров к горизонту следует стремиться делать минимально возможными. Однако применение малых углов наклона стенок бункеров ухудшает условия ровного схода сыпучего материала. На зарубежных фабриках окускования углы наклона стенок бункера составляют 60°.

Бункеры прямоугольного (квадратного) сечения при одинаковых габаритах имеют больший геометрический объем по сравнению с бункерами круглого сечения. Однако последние имеют меньшую поверхность стенок при одинаковом объеме, благодаря чему величина сил трения, препятствующих опусканию материала, меньше.

2.4. СМЕШИВАНИЕ И ОКОМКОВАНИЕ ШИХТ

В основе процессов смешивания и окомкования лежит взаимное перемещение частичек в объеме шихты, поэтому результаты обоих процессов, кроме свойств сыпучих материалов, будут определяться режимами работы аппаратов-смесителей и окомкователей.

Повсеместно на агломерационных фабриках операции смешивания и окомкования шихты выполняют с помощью вращающихся барабанов, простых по устройству и в эксплуатации и обладающих достаточно высокой производительностью.

Общая схема движения сыпучего материала во вращающихся барабанах, работающих в непрерывном режиме, может быть представлена следующим образом. Сыпучий материал поднимается на некоторую высоту и затем под действием силы тяжести падает— ссыпается вниз. Благодаря наличию разности уровней материала на концах барабана падающая шихта одновременно перемещается на некоторое расстояние вдоль его оси к разгрузочному концу. Каждый объем шихты совершает множество подобных циклов и по истечении определенного времени (нескольких минут) от момента загрузки выходит из барабана, пройдя в нем операцию смешивания или окомкования.

Движение в поперечном сечении барабана влияет на режим обработки шихты, а движение вдоль оси вращения определяет производительность барабана.

2.4.1.Закономерности движения сыпучего материала в поперечном сечении вращающихся барабанов

Из различных типов движения сыпучего материала в поперечном сечении вращающихся барабанов наибольший интерес для технологов-агломератчиков представляет движение в режимах переката и водопадном — рис. 2.14, б и в, 2.16.

Агломерация является заключительной операцией в комплексе мероприятий по подготовке железных руд к доменной плавке. Главная цель этой операции состоит в том, чтобы превратить мелкий рудный концентрат в более крупные куски — агломерат, использование которого в доменной плавке обеспечивает формирование слоя шихты хорошей газопроницаемости, что является непременным условием высокопроизводительной работы доменной печи. Доменная плавка высокой интенсивности возможна при большом количестве сгорающего в горне доменной печи кокса, что, с одной стороны, ведет в выделению большого количества тепла, а с другой — к образованию в нижней части печи свобод¬ного пространства (благодаря газификации твердого кокса), куда опускается столб доменной шихты. Хорошая газопроницаемость шихты нужна для того, чтобы большой объем образующихся при горении кокса газов успевал проходить через межкусковые каналы слоя при относительно небольших перепадах давления газа между горном и колошником (150—200 кПа на высоте слоя шихты 20—25 м).