Агломерация рудных материалов

Коротич В.И., Фролов Ю.А., Бездежский Г.Н.
"ГОУ ВПО ""УГТУ-УПИ""", 2003 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Агломерация рудных материалов

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 металлургии дробление 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 А12Оэ 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).