Рисунок 1 - Схема технологических потоков приёмки аглосырья на усреднение на УУК
3. Агломерационное производство
Агломерация - это процесс окускования мелких руд, концентратов и колошниковой пыли спеканием в результате сжигания топлива в слое спекаемого материала. Для производства агломерата предназначены ленточные агломерационные машины со спеканием слоя шихты на движущейся колосниковой решетке при просасывании воздуха через шихту. Продукт спекания (агломерации) – агломерат - представляет собой кусковой, пористый продукт черного цвета; упрощенно можно характеризовать его как спеченную руду или спеченный рудный концентрат.
При агломерации удаляются некоторые вредные примеси (сера и частично мышьяк), разлагаются карбонаты и получается кусковой пористый, к тому же офлюсованный материал. По существу - это металлургическая подготовка.
3.1 Шихта агломерации и ее подготовка
Основные составляющие агломерационной шихты - железосодержащие материалы (рудный концентрат, руда, колошниковая пыль); возврат (отсеянная мелочь ранее произведенного агломерата); топливо (коксовая мелочь); влага, вводимая для окомкования шихты; известняк, вводимый для получения офлюсованного агломерата.
Кроме того, в шихту зачастую вводят известь (до 25—80 кг/т агломерата), что улучшает комкуемость шихты, повышая ее газопроницаемость, прочность агломерата; марганцевую руду (до 45 кг/т агломерата) для повышения содержания марганца в чугуне и отходы (прокатную окалину, шламы и другие материалы, вносящие оксиды железа).
Подготовку шихты, как и спекание, ведут на агломерационных фабриках. Подготовка шихты должна обеспечить усреднение, необходимую крупность, дозирование компонентов шихты, смешивание и окомкование ее. Составляющие шихты из бункеров, где они хранятся, выдают с помощью весовых и объемных дозаторов. Дозирование должно обеспечить требуемый состав агломерата.
Для обеспечения равномерного распределения компонентов по всему объему шихты необходимо осуществлять хорошее смешивание шихты, что обычно проводят во вращающихся барабанах, сначала в смесительном, а затем в окомковательном, или совместив эти две операции в одном агрегате. При подаче в барабан воды, разбрызгиваемой над поверхностью шихты, происходит окомкование ее вследствие действия возникающих между частичками материала капиллярных сил. Окомкованная шихта характеризуется более высокой газопроницаемостью. Большое влияние на комкуемость, а, следовательно, и газопроницаемость, оказывает содержание влаги в шихте. Газопроницаемость шихты возрастает по мере увеличения влажности до 6-9 %, а при превышении этой величины шихта превращается в полужидкую массу, газопроницаемость которой низка. После окомкования шихту транспортируют к спекательной машине.
3.2 Процесс спекания
На колосниковую решетку конвейерной ленты загружают так называемую "постель" высотой 30-35 мм, состоящую из возврата крупностью 10-25 мм. Затем загружают шихту (250-350 мм). Под колосниковой решеткой создают разрежение около 7-10 кПа, в результате чего с поверхности в слои засасывается наружный воздух.
Чтобы процесс начался, специальным зажигательным устройством нагревают верхний слой шихты до 1200-1300 °С, и топливо воспламеняется. Горение поддерживается в результате просасывания атмосферного воздуха. Зона горения высокой около 20 мм постепенно продвигается сверху вниз (до колосников) со скоростью 20-30 мм/мин.
В зоне горения температура достигает 1400-1500 °С. При таких температурах известняк СаСО3 разлагается на СаО и СО2, а часть оксидов железа шихты восстанавливается до FeO. Образующиеся СаО и FeO, а также оксиды шихты SiO2, Fe3O4, Fe2О3, А12О3 и др. вступают в химическое взаимодействие с образованием легкоплавких соединений, которые расплавляются. Образующаяся жидкая фаза пропитывает твердые частицы и химически взаимодействует с ними. Когда зона горения опустится ниже мест образования жидкой фазы, просасываемый сверху воздух охлаждает массу, пропитанную жидкой фазой, и последняя затвердевает, в результате чего образуется твердый пористый продукт - агломерат. Поры возникают в результате испарения влаги и просасывания воздуха. Продвижение через слой шихты сверху вниз зоны, в которой происходит горение топлива и формирование агломерата (т.е. спекаемого слоя), длится 8-12 мин и заканчивается при достижении постели.
Рассмотрим основные химические реакции, протекающие при агломерации. Горение топлива происходит по реакциям:
С + 0,5О2 = СО;
С + О2 = СО2.
В отводимых продуктах горения отношение СО2/СО равно 4-6, но вблизи горящих кусочков кокса атмосфера восстановительная (преобладает СО), что вызывает восстановление оксидов железа.
Большая часть непрочных оксидов Fе2О3 превращается в Fе3О4 в результате восстановления: Fе2О3 + СО = Fе3О4 + СО2, либо в результате диссоциации: 6Fe2O3 =4Fe3O4.
Часть оксидов Fe3O4 восстанавливается до FeO: Fe3O4 + СО = 3FeO + СО2.
Содержание FeO в агломерате обычно находится в пределах 8—17 %, оно возрастает при увеличении расхода кокса на агломерацию; одновременно уменьшается остаточное содержание Fе2О3.
Известняк разлагается по реакции СаСО3 = СаО + СО2, идущей с поглощением тепла.
При агломерации удаляется сера и частично (около 20 %) мышьяк. Сера в шихте обычно находится в виде сульфида железа FeS2 (пирит), а иногда в виде сульфатов СаSО4 • 2Н2О (гипс) и BaSO4 (барит). Пирит в условиях агломерации окисляется по нескольким реакциям, одна из них:
3FeS2 +2О2 = Fe3O4 + 6SO2.
Гипс и барит разлагаются при 1200-1400°С по реакциям CaSO4 = СаО + SО3;
BaSO4 = ВаО + SO3.
В процессе агломерации выгорает 90-98 % сульфидной серы, а сульфатной 60-70 %. Нижний предел относится к офлюсованному агломерату, а верхний к неофлюсованному.
Протекает много реакций взаимодействия между оксидами шихты, в результате чего образуются десятки различных химических соединений.
3.3 Офлюсованный агломерат и его свойства
В настоящее время производят офлюсованный агломерат, т.е. в шихту агломерации вводят известняк, чтобы агломерат содержал СаО и его основность CaO/SiO2 составляла 1-1,4 и более. Это позволяет работать без загрузки известняка в доменную печь.
Основные преимущества офлюсованного агломерата:
1) Исключение из доменной плавки эндотермической реакции разложения карбонатов, т.е. СаСО3= СаО + СО2 - Q или MgCO3 = MgO + CO2 - Q, требующих тепла, а следовательно, расхода кокса. Этот процесс перенесен на аглоленту, где расходуется менее дефицитное и более дешевое топливо, чем кокс.
2) Улучшение восстановительной способности газов в самой доменной печи вследствие уменьшения разбавления их двуокисью углерода, получаемой от разложения карбонатов.
3) Улучшение восстановимости агломерата, так как известь вытесняет оксиды железа из трудновосстановимых силикатов железа.
4) Улучшение процесса шлакообразования, так как в офлюсованном агломерате оксиды плотно контактируют друг с другом.
5) Уменьшение числа материалов, загружаемых в доменную печь.
В конечном итоге, применение офлюсованного агломерата приводит к сокращению расхода кокса на 6-15 %.
Качество агломерата оценивают рядом параметров: он должен быть в кусках определенной крупности, должен иметь высокую прочность в холодном и в горячем состоянии, высокую восстановимость, высокую температуру размягчаемости. Агломерат не должен содержать фракций < 5 мм, поскольку мелочь сильно снижает газопроницаемость шихты в доменной печи; крупность агломерата для малых и средних печей должна составлять 5-40мм, а для крупных и сверхмощных - 15-40 мм.
Высокая холодная и горячая прочность необходимы, чтобы агломерат не разрушался с образованием мелочи, препятствующей движению газов через слой шихты в печи. Под холодной прочностью подразумевают прочность, препятствующую разрушению агломерата при его транспортировке и загрузке в печь, под горячей - препятствующую разрушению под воздействием давления столба шихты в печи при высоких температурах. Для получения стабильно высокой холодной прочности прежде всего важно соблюдение технологии подготовки шихты с поддержанием оптимального гранулометрического состава и ее высокой газопроницаемости, в том числе путем ее тщательного окомкования и добавки в шихту извести. Холодная прочность сильно снижается при очень быстром охлаждении и при наличии остатков шихты в агломерате. Для предотвращения резкого охлаждения горячий агломерат со спекательной ленты направляют в специальные охладители, где его охлаждают в течение 40-60 мин просасываемым вентиляторным воздухом. С тем, чтобы в агломерате после спекания не оставалось кусков шихты, она не должна содержать рудных частиц крупностью > 8 мм и известняка > 3 мм; необходимо также увеличивать расход топлива.
3.4 Агломерационная машина и технологический процесс производства агломерата