Разработка технологии агломерации отходов прокатного производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Оценка современного состояния решаемой научной проблемы. На металлургических предприятиях ежегодно образуется около 9 млн.т железосодержащих отходов (шламы, пыль, отсевы агломерата и окатышей, окалина, варочный шлак и др.). Общие безвозвратные потери металла составляют примерно 0,9 % в год, в том числе от коррозии - 0,5 %, истирания - 0,01 %, неполноты сбора отслужившего металла при его повторном переделе и использования - 0,3 %. В результате от первичного, т.е. выплавленного в каком-либо году из железной руды железа, сохраняется в материальной культуре страны: через 50 лет - 64 %, через 150 лет - 26 %, через 200 лет - 16 %. Поэтому и теперь еще продолжает служить около четверти металла, впервые выплавленного еще в начале прошлого века.

В сталеплавильном производстве Павлодарского региона образуются большое количество отходов в виде окалины с прокатных станов и аспирационная пыль непосредственно из печей (ДСП). Соотношение окалина:пыль - 85: 15. Годовой объем составляет примерно 150000 т в год, и в будущем ожидается увеличение в 3-4 раза. Крупность окалины (90% - фр. 0 - 5 мм) и пыли (100 % - фр. 0 - 0,01 мм) не позволяет использовать их в шахтных печах. Для вовлечения указанных материалов необходимо их предварительно окусковать. Учитывая физико-химические, теплотехнические свойства этих отходов, необходимо разработать оптимальный способ окускования. Для решения указанной задачи направлена тематика данной дипломной работы.

Актуальность дипломной работы. Считается, что отходы производства - признак несовершенства технологии. Поэтому разработка малоотходных технологий в черной металлургии на всех стадиях ее переделов становится главной целью технической политики. Разработка технологии агломерации позволит снизить потребление материальных ресурсов на предприятии, сократить выбросы в окружающую среду, уменьшить объемы образования отходов и себестоимость продукции. 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.

Целью и задачей дипломного проектирования являлась разработка технологии агломерации, позволяющая данному виду окускования получить преимущества перед другими видами переработки отходов.

Объектом дипломного исследования является процесс агломерации отходов прокатного производства.

Научная новизна и практическая значимость. Новизной дипломной работы является использование в процессе агломерации окалины с прокатных станов и аспирационной пыли в качестве связующих и добавок.

Практическая значимость. Предложенный процесс агломерации позволяет утилизовать отходы прокатного, сталеплавильного производства, а также вовлечь в металлургическую переработку отходы других производств, содержащие повышенное количество железа: колошниковую пыль доменного цеха, красные шламы глиноземных заводов, пиритные огарки сернокислотных заводов и др.

Теоретическая и методологическая основа. При написании данной дипломной работы было рассмотрено, изучено и использовано большое количество учебно-методической литературы, научных статей и периодических изданий, связанных с тематикой работы.

Практическая база написания дипломного проекта. Практической базой дипломной работы являлась агломерационная установка, смонтированная на территории лаборатории ПГПИ.

1. Литературный обзор

1.1 История возникновения и развития агломерации

агломерация пирог шихта проба

Агломерация как способ окускования был открыт случайно в 1887 г. английскими исследователями Ф. Геберлейном и Т. Хатингтоном в ходе опытов по десульфурирующему обжигу руд цветных металлов на колосниковой решетке. Обжиг проводили следующим образом. На колосниковую решетку насыпали слой горящих кусков кокса или угля, на который затем укладывали слой сульфидной руды. Снизу через решетку подавали воздух от воздуходувки. Проходя через слой топлива, воздух обеспечивал его интенсивное горение. Горячие продукты горения, двигаясь дальше, нагревали расположенный выше слой руды. При температурах 400 - 500°С происходило воспламенение сульфидов. В результате их горения выделялось дополнительное тепло, которое потоком газа переносилось в слой руды, расположенный еще выше. Таким образом, зона горения сульфидов перемещалась в направлении движения газа, проходя последовательно весь слой руды, расположенный на решетке. Обжиг руды осуществлялся без подвода тепла извне - только за счет тепла, выделявшегося при горении сульфидов. «Запальное» топливо (куски раскаленного кокса или угля), расположенное вначале на колосниковой решетке, служило только для воспламенения сульфидов руды самого нижнего слоя.

В ходе исследований выяснилось, что при обжиге руд с высоким содержанием серы выделялось так много тепла и температура поднималась до такого уровня, что происходило приплавление обожженных кусков руды друг к другу. После окончания процесса слой руды превращался в закристаллизовавшуюся пористую массу - спек. Куски раздробленного спека, которые назвали агломерат, оказались вполне пригодными по своим физико-химическим свойствам для шахтной плавки.

Сравнительная простота технологии и высокая тепловая эффективность слоевого окислительного обжига сульфидных руд привлекли внимание специалистов черной металлургии. Появилась идея разработать термический способ окускования железорудных материалов на базе подобной технологии. Отсутствие в железных рудах серы как источника тепла предполагалось компенсировать добавкой к руде мелких частиц углеродистого топлива: угля или кокса. Железорудный агломерат по такой технологии в лаборатории впервые был получен в Германии в 1902 - 1905 гг.

Первой промышленной установкой для производства агломерата был котел Геберлейна - коническая стальная чаша, на некотором расстоянии от днища которой была закреплена колосниковая решетка, а в днище имелся патрубок для подвода дутья от воздуходувки. Процесс осуществлялся по схеме, аналогичной описанной выше для окислительного обжига сульфидных руд, с той только разницей, что в данном случае источником тепла для размягчения и частичного плавления рудных зерен были горящие частички угля или кокса. На находящийся, на колосниковой решетке, слой из кусков раскаленного твердого топлива засыпали тонким слоем агломерационную шихту - смесь мелкой влажной руды с частичками коксика. После этого включали дутье, и подогретый в слое горящего на колосниковой решетке топлива газ поднимался вверх, воспламеняя и сжигая содержащееся в шихте топливо в нижнем слое спекаемого материала. Когда зона горения доходила до поверхности (а это замечалось прямым наблюдением - поверхность раскалялась) загружался следующий слой агломерационной шихты. После этого выключали вентилятор, опрокидывали котел и вручную разбивали полученную глыбу агломерата на более мелкие куски.

В России первые 6 котлов Геберлейна были введены в эксплуатацию в 1906 г. на Таганрогском заводе, а в 1914 г. - еще 5 чаш на Днепровском металлургическом заводе.

Одновременно в эти же годы велись работы по созданию альтернативных аглоустановок, лишенных серьезных недостатков котлов Геберлейна: низкой производительности, тяжелого физического труда рабочих. Были разработаны конструкции агломерационных чаш со значительно лучшими технологическими характеристиками. Эти установки находились в эксплуатации на металлургических заводах несколько десятков лет. В 1914 - 1918 гг. на Днепровском заводе была построена аглофабрика с прямоугольными (стационарными) чашами системы Гриневальта, а в 1925 г. на Гороблагодатском руднике (на Урале) - фабрика с 28 круглыми чашами (диаметром 2,3 м) шведской фирмы AIB. Принципиально агломерационный процесс в чашах шел так же, как и в котлах Геберлейна. Отличие состояло в том, что была уменьшена толщина спекаемого слоя до 250 - 300 мм, а самое главное, дутьевой режим был заменен на вакуумный - воздух в слой засасывался сверху благодаря создаваемому вентиляторами разрежению под колосниковой решеткой. Поэтому зажигание (воспламенение частичек твердого топлива шихты) также производилось сверху. В круглых чашах для этого на поверхность уложенной в чашу шихты засыпался слой «запального топлива» (смесь древесной стружки, опилок, частичек угля или коксика). В прямоугольных чашах зажигание осуществляли с помощью передвижных зажигательных горнов с газовыми горелками.

Для полноты картины следует упомянуть, что в 20 - 30 гг. 20 столетия агломерацию железных руд осуществляли еще на одном типе установок - в трубчатых вращающихся печах (Полизиуса). Подробнее об устройстве и работе агломерационных чаш и вращающихся печей можно познакомиться в [1 - 3].

Поскольку каждая из упомянутых агломерационных установок обладала теми или другими существенными недостатками (один из самых серьезных - низкая производительность), ни чаши, ни трубчатые печи не получили широкого распространения в металлургии. Прорыв в области окускования руд был сделан двумя американскими инженерами А. Дуайтом и Р. Ллойдом, которые в 1906 г. разработали конструкцию, а в 1911 г. ввели в эксплуатацию первую конвейерную агломерационную машину непрерывного действия. Процесс спекания руд шел по тому же принципу, что и в котлах Геберлейна или в чашах - тепло, необходимое для оплавления рудных зерен, выделялось при слоевом сжигании частичек твердого топлива в результате просасывания воздуха через шихту, уложенную на колосниковую решетку. Успех в быстром и широком распространении агломерации как главного способа окускования железорудных материалов был предопределен очень удачной конструкцией агломерационной машины. Площадь спекания первой агломерационной машины Дуайта-Ллойда была 8,1 м2 (при ширине ленты 1,05 и длине 7,7 м); суточная производительность 140 т агломерата при спекании колошниковой пыли. За прошедшие 90 лет неизмеримо выросли размеры агломерационных машин - площадь спекания увеличилась до 600 м2 и более; суточная производительность достигла 15000 - 18000 т агломерата. Изменились марки сталей, из которых изготовляются различные детали машин, но принципиальное устройство машин осталось без изменения.

Конвейерная агломерационная машина в соответствии с рисунком 1.1 состоит из следующих основных частей: спекательных тележек - палет (днище которых представляет колосниковую решетку с зазорами 5 - 6 мм), перемещающихся по направляющим - стальным рельсам; вакуум-камер (обеспечивающих вакуум под колосниками палет); привода (состоящего из большого зубчатого колеса диаметром 4 - 6 м, приводимого во вращение электродвигателем).



Рисунок 1.1 - Схема конвейерной агломерационной машины: 1 - вакуум-камера; 2 - спекательные тележки - палеты; 3 - хвостовая часть машины; 4 - привод; 5 - загрузочное устройство; 6 - зажигательный горн; 7 - дробилка агломерата; 8 - пылеуловитель; 9 - вентилятор-эксгаустер; 10 - труба

Работает машина следующим образом. Медленно вращающееся колесо в головной части машины захватывает зубцами подкатившуюся внизу тележку и поднимает ее на верхнюю ветвь направляющих, где она прижимается к предыдущей, толкает ее и через нее - все остальные палеты, находящиеся на рабочей ветви машины. При этом последняя тележка в хвостовой части машины переходит на круговой участок направляющих и далее - на «холостую» ветвь машины, имеющую небольшой уклон к головной ее части. Тележка подхватывается зубчатым колесом, поднимается вверх, и цикл повторяется. При подходе к загрузочному устройству палета заполняется шихтой и проходит под зажигательным горном, где осуществляется воспламенение топлива шихты в поверхностном слое. В течение времени, пока тележка находится на рабочей ветви машины, через слой шихты непрерывно просасывается воздух (под действием разрежения в вакуум-камерах, который создает эксгаустер). Скорость движения палет подбирается такой, чтобы за время перемещения тележки от зажигательного горна до последней вакуум-камеры зона горения - формирования агломерата - прошла сверху вниз весь слой (толщиной 200 - 400 мм). При опрокидывании палеты в конце машины происходит ее освобождение от образовавшегося агломерационного спека.

Руководство металлургической промышленностью в Советском Союзе уделяло серьезное внимание развитию агломерации. Головной организацией по координации работ в области агломерации был определен Ленинградский институт «Механобр». В 1925 г. была проведена I Всесоюзная конференция по обогащению и агломерации железных руд; в 1932 г. - II конференция, на которой было принято решение о строительстве агломерационных фабрик с использованием машин Дуайта-Ллойда. Первая фабрика с ленточными машинами была построена на Керченском металлургическом заводе в 1930 г. Затем в 1932 - 1936 гг. были введены в эксплуатацию аглофабрики: Мундыбашская (в Сибири), Камыш-Бурунская (в Керчи), Макеевская (в Донбассе), Магнитогорская (на Урале). Начиная с 50-х гг. агломерационные фабрики комплектуются машинами площадью спекания 75 м2. В 60-х гг. началось производство агломерационных машин площадью спекания 312 м2 (таблица 1.1)

Начавшаяся на УЗТМ в 80-х гг. разработка проекта агломерационной машины площадью спекания 600 м2, к сожалению, так и не была закончена.

Одновременно с увеличением мощности агломерационных машин совершенствовалась технология агломерации на основе исследований советских и зарубежных ученых-агломератчиков. Большой вклад в развитие теории агломерационного процесса внесли немецкий ученый Г. Вендеборн (впервые правильно изложил принципиальную схему теплообмена в слое при агломерации просасыванием); украинский ученый С. Т. Ростовцев (вопросы зажигания, газодинамики слоя, химико-минералогических превращений в спекаемом материале); уральский проф. В. Я. Миллер (один из пионеров разработки теории и технологии производства офлюсованных агломератов, впервые раскрыл зональную структуру спекаемого слоя и связал ее с распределением температур по высоте слоя; исследовал поведение при агломерации сульфидной, сульфатной серы; занимался вопросами формирования макроструктуры спека, кинетики химико-минералогических процессов в агломерируемом слое). Н. М. Бабушкиным в соавторстве с В. Н. Тимофеевым и Ф. Р. Шкляром впервые разработана математическая формулировка и решена комплексная задача тепло- и массообмена в слое агломерируемой шихты, а также в сплошном и насыпном слое охлаждающегося агломерата. Существенно расширили и углубили представления об агломерационном процессе работы Е. Ф. Вегмана и Т. Я. Малышевой (химико-минералогические превращения); А. А. Сигова (раскрывшего закономерности поведения влаги при агломерации; много внимания уделившего изучению процессов горения топлива, теплообмена, окислительно-восстановительных процессов; впервые получившего истинный состав продуктов горения твердого топлива в агломерируемом слое); В. М. Витюгина (исследовавшего механизм и кинетику грануляции тонкодисперсных материалов); Е. Войса и С. Г. Братчикова (изучавших закономерности горения твердого топлива и теплообмена в слое); С. В. Базилевича (показавшего влияние разнообразных факторов на прочность агломерационного спека и гранулометрический состав агломерата); Г. В. Коршикова (одного из наиболее активных исследователей агломерационного процесса второй половины прошлого века).

Таблица 1.1 - Техническая характеристика агломерационных машин СССР

Параметр	Тип машины
	КЗ-50	АКМ-75	АКМЗ-85/160	АКМ7 -312
Ширина палеты, м	2,0	2,5	2,5	4,0
Длина рабочей части, м	25	30	64	78
Площадь просасывания, м2	50	75	85 (75)	312
Количество вакуум-камер	13	15	17(15)	26
Число палет	70	80	151	130
Мощность эл. двигателя привода, кВт	11	13	32	85
Скорость движения палет, м/мин	1,4 - 4,4	1,5 - 4,5	1,5 - 6,0	1,5 - 7,5

Примечания

1. Максимальная высота спекаемого слоя 0,3-0,35м;

2. Разрежение, создаваемое эксгаустерами, 10-12 кПа;

3. Для машины АКМ3-85/160 общая площадь просасывания 160 м2, в том числе на участке охлаждения спека - 75 м2 (15 вакуум-камер).

Изучением агломерационного процесса в СССР занимались коллективы многих научных лабораторий: Днепропетровского металлургического института (в 30-е гг. под рук. С.Т. Ростовцева, а в 60 - 70-е гг. под рук. Г.Г. Ефименко); Ленинградского института «Механобр» (А.М. Парфенов); Московского института стали и сплавов (под рук. Е.Ф. Вегмана и Ю. С. Карабасова); Липецкого политехнического института (Г.В. Коршиков); Киевского «Института газа» (под рук. А.А. Сигова); института «ДонНИИЧЕРМЕТ» (Ф.Ф. Колесанов). Особенно большая концентрация научных сил была на Урале - в г. Свердловске: Институт черных металлов (рук. В.Я. Миллер); институт «Уралмеханобр» (рук. Д.Г. Хохлов); ВНИИМТ (Н.М. Бабушкин); Уральский политехнический институт (рук. В.И. Коротич). Имея в виду, что работы велись также в лабораториях Нижне-Тагильского и Магнитогорского металлургических комбинатов, можно утверждать, что к 70-м гг. 20 века сложилась «уральская школа агломератчиков», особенностью которой был научный подход к изучению процесса агломерации.

В последние годы особенно заметный вклад в раскрытие фундаментальных основ агломерации внесли представители этой школы В.П. Пузанов и Л.И. Каплун.

Наиболее значительные результаты многолетних экспериментальных и теоретических разработок В.П. Пузанова нашли отражение в двух монографиях: «Газодинамика агломерационного процесса» (в которой приведена наиболее совершенная на настоящее время методика расчета газодинамических параметров спекаемого слоя и аглоустановки) и «Структурообразование из мелких материалов с участием жидких фаз», где предпринята попытка поставить на глубокую научную основу отдельные вопросы большой проблемы - образование искусственных структур из мелких материалов: смешивание и окомкование шихт, уплотнение гранул, формирование пористых агломерационных спеков, а также окатышей - процессов, идущих при активном участии жидких фаз (воды или расплавов).

Блестящий экспериментатор Л.И Каплун с помощью оригинальных установок и методик сумел получить уникальные данные и вскрыть или уточнить закономерности процессов по важнейшим проблемам агломерации: горения топлива, химико-минералогических превращений в твердых фазах, плавления агломерационной шихты; изучить физико-химические свойства железистых агломерационных расплавов и определить их роль в формировании химико-минералогической и физической структуры агломератов, детально изучить характер окислительно-восстановительных процессов при агломерации железорудных материалов.

Успехи современного агломерационного производства были бы невозможны без использования в практике предложений ряда отечественных инженеров и ученых по совершенствованию технологии производства агломерата.

Одним из серьезных достижений советских специалистов-агломератчиков была разработка технологии производства офлюсованного агломерата высокого качества.

Использование в доменной плавке в качестве флюса «сырого» (необожженного) известняка требует повышенного расхода кокса - для компенсации значительного эндотермического эффекта диссоциации карбоната CaCO3 = CaO + CO2 - Q. Поэтому доменщики с давних пор искали способ вынести из доменной печи этот процесс.

Первые упоминания об использовании в доменной плавке обожженной извести взамен известняка относятся к началу 19 в. В «Горном журнале», 1836 г., т. III, с. 195, имеется сообщение о неудовлетворительной работе доменной печи уральского (Каменского) завода при использовании в шихте извести. Это было связано не только с сильным пылением при загрузке и тяжелыми условиями труда рабочих и с большим уносом извести из печи с колошниковым газом, но и с тем, что при такой замене экономического эффекта практически не добились. Дело в том, что в верхних частях печи CaO извести взаимодействует с CO2 газа (появляющимся в результате восстановления оксидов железа), и вновь образуется карбонат CaCO3.

Принципиально проблема была решена в 1935 г. работами Н.Н. Круглова и И.В. Распопова, которые отмечали [4], что «если вести речь об употреблении в доменной печи обожженной извести, то надо предложить такой способ ее приготовления, который удовлетворял бы следующим основным требованиям:

- обожженная известь должна храниться на открытом воздухе без того, чтобы происходило ее гашение и рассыпание в порошок;

- обожженная известь не должна в верхних горизонтах доменной печи насыщаться углекислотой.

Представляется весьма вероятным, что этим требованиям можно будет удовлетворить, если обжиг известняка вести в агломерационной чаше, смешав его предварительно с мелкой железной рудой. В этом случае, образующаяся при высоких температуpax, окись кальция будет давать химические соединения с кремнекислотой, глиноземом и окислами железа, в результате чего получится агломерат с основной пустой породой». Эта идея производства «ожелезненной извести» путем агломерирующего обжига была подтверждена лабораторными опытами. Авторы получили агломерат с основностью 7 хорошего качества.

Первые промышленные опыты по производству офлюсованного агломерата и его проплавки в доменной печи были проведены в 1936 г. на Днепродзержинском металлургическом заводе по инициативе С. Т. Ростовцева. Из-за очень плохого качества агломерата (содержавшего более 50 % мелочи), обусловленного использованием в агломерационном процессе очень крупного известняка (до 25 мм), результаты этой непродолжительной опытной плавки оказались неудовлетворительными: ход доменной печи был крайне неустойчивым, с частыми подвисаниями и осадками.

Руководство металлургической промышленностью СССР после этой неудачной плавки поручило группе исследователей разработать технологию производства качественного «самоплавкого» - офлюсованного с основностью 1,2-1,4 агломерата. В качестве опытной базы был выбран лучший в то время Магнитогорский металлургический комбинат.

Как полагали исследователи [5], в результате плавки такого агломерата удастся:

- улучшить процесс шлакообразования в доменной печи;

- уменьшить удельный объем шихтовых материалов, м3/т чугуна;

- увеличить скорость восстановления за счет уменьшения содержания в доменном газе CO2 (от разложения известняка);

- уменьшить потери тепла с колошниковым газом (благодаря снижению его количества);

- в конечном счете получить экономию горючего (кокса).

В 1939 г. сначала лабораторные исследования, а затем работа на промышленных агломерационных лентах показали принципиальную возможность получения офлюсованного агломерата I и II сортов. Одним из главных условий технологии было ограничение верхнего предела крупности кусочков известняка 6 мм.

Опытная плавка полученного агломерата (50 % агломерата в рудной части шихты) в июле - августе 1939 г. дала положительный результат: ход доменной печи был ровным; уменьшились колебания химического состава чугуна; увеличилась производительность печи, и снизился расход кокса. Такие же положительные результаты были получены в ходе второй опытной плавки в 1941 г.

Работы по совершенствованию технологии производства офлюсованного агломерата и использованию его в доменной плавке были возобновлены на ММК после Великой Отечественной войны, в соответствии с рисунком 1.2 [6].

Рисунок 1.2 - Динамика развития производства офлюсованного агломерата и его использования в доменной плавке на ММК

С 50-х гг. прошлого столетия офлюсованный агломерат начали производить и другие металлургические заводы СССР, а затем и аглофабрики зарубежных стран.

В этот же период на агломерационных фабриках СССР нашел широкое распространение способ интенсификации процесса спекания путем подачи на машины предварительно подогретой до 60 - 70°С шихты. Этот способ, предложенный В. В. Виноградовым [7], оказался весьма эффективным: производительность агломашин возрастала на 20-50 %.

С 60-х гг. прошлого века на аглофабриках СССР, и в первую очередь Украины, с успехом начали применять еще один способ интенсификации аглопроцесса - введение в шихту обожженной извести (до 3 - 5 %). Активную роль в этом сыграл Н.З. Плоткин, который разработал несколько конструкций обжиговых установок.

С 1955 г. в мировой металлургии в промышленных масштабах начали использовать новый метод окускования тонких железорудных концентратов - производство окатышей. При проплавке окатышей в доменных печах США удельный расход кокса сократился, а производительность печей увеличилась почти вдвое. Благодаря активной рекламной кампании, которую развернули фирмы-разработчики технологии и изготовители оборудования фабрик по производству окатышей, у многих металлургов, в том числе и у руководителей Министерства черной металлургии СССР, сложилось впечатление, что окатыши обладают неоспоримыми преимуществами перед агломератом. В МЧМ СССР было принято решение, что стратегическим направлением развития подотрасли подготовки железорудного сырья к доменной плавке является интенсивное строительство фабрик по производству окатышей с постепенным сокращением, а в конечном счете с полной ликвидацией агломерационного производства. Любые попытки ученых и производственников в 60-х гг. прошлого века дать объективную оценку новому способу окускования решительно пресекались. Замалчивались результаты лучшей работы ряда доменных печей Японии на хорошо подготовленном офлюсованном агломерате по сравнению с проплавкой окатышей (неофлюсованных). Из текста статьи [8], опубликованной в 1964 г. редакцией журнала, подведомственного МЧМ, были исключены ссылки на результаты экспериментов, согласно которым окатыши в ходе восстановления разрушались почти в два раза сильнее, чем агломераты. Результаты такой тенденциозной технической политики не замедлили сказаться. Вскоре после начала использования в доменной плавке на ММК окатышей ССГОК пришлось аварийно останавливать доменные печи по причине интенсивного износа засыпных аппаратов и огнеупорной кладки, обусловленного значительным повышением содержания пыли в доменном газе из-за сильного разрушения окатышей в ходе доменной плавки.

Последовавший за этими событиями объективный анализ показал, что окатыши не являются «абсолютно» лучшим видом окускованного рудного сырья. Они обладают рядом существенных недостатков по сравнению с агломератом: во-первых, окатыши невозможно получать из относительно грубых концентратов, а дополнительное измельчение до необходимой крупности (0,05 мм) значительно удорожает концентрат; во-вторых, как уже отмечалось, окатыши сильнее агломерата разрушались в ходе восстановительных процессов; в-третьих, чрезвычайно трудно технологически получать окатыши повышенной (до 1,4 - 1,5) основности; в-четвертых, при работе доменных печей только на окатышах возникают определенные затруднения из-за ухудшения газопроницаемости слоя и развития процессов шлакообразования [9].

Главным достоинством агломерации является универсальность - процесс спекания идет достаточно успешно с использованием рудных материалов в широком диапазоне по крупности (от 0 до 10 мм); допустимы некоторые отклонения от оптимальных параметров по влажности шихты, содержания в ней твердого топлива и др.

Несомненным преимуществом окатышей перед агломератом является их хорошая «транспортабельность»: они мало разрушаются в ходе железнодорожных или морских перевозок. Таким образом, целесообразно окускование тонкого рудного концентрата производить путем производства окатышей в том случае, когда горно-рудный комбинат (с обогатительной фабрикой) находятся на значительном удалении от металлургического завода.

К настоящему времени у металлургов сформировалось твердое мнение, что агломерация и производство окатышей - не конкурирующие, а дополняющие друг друга методы окускования. При этом преимущество по масштабам производства и применения в плавке остается за агломерацией - 60 - 70 %. В соответствии с рисунком 1.3 представлена динамика развития производства агломерата и окатышей в СССР и России.

Рисунок 1.3 - Динамика развития производства агломерата в СССР, России, США, Японии

Агломерация - термический процесс окускования мелких материалов (руды, рудных концентратов, содержащих металлы отходов и др.), являющихся составными частями металлургической шихты, путем их спекания с целью придания формы и свойств (химического состава, структуры), необходимых для плавки. Спекание происходит непосредственным слипанием отдельных нагретых частиц шихты при поверхностном их размягчении либо в результате образования легкоплавких соединений, связывающих частицы при остывании агломерируемого продукта. Тепло, необходимое для спекания, получается от горения углеродистого топлива, прибавляемого к агломерируемому материалу, либо от окисления сульфидов, если агломерации подвергаются сернистые рудные концентраты. На практике агломерация чаще всего осуществляется на колосниковых решётках, с просасыванием воздуха сверху вниз сквозь лежащую на решётке шихту. При этом происходит последовательное горение топлива в лежащих один под другим её слоях. Шихта должна быть максимально однородной. Для равномерного окисления горючего в процессе спекания и получения прочного и пористого агломерата соответствующего химического состава требуется, чтобы шихта обладала необходимой газопроницаемостью, что зависит в первую очередь от размера зёрен и степени начального увлажнения [10].

Основные исходные материалы агломерации: мелкая сырая руда (8 - 10 мм) и её концентрат, а также топливо (коксовая и антрацитовая мелочь до 3 мм), флюс (известняк и доломит до 3 мм), в отдельных случаях - мелкие отходы (колошниковая пыль, окалина и др.). Конечный продукт - агломерат. Более 95 % агломерата используется в чёрной металлургии; в цветной металлургии агломерат применяется в алюминиевом, никелевом и свинцовом производствах. Промышленное производство агломерата освоено в начале 20 в. США.

Агломерация включает: подготовку шихты (дозировка отдельных компонентов, смешивание, увлажнение и окомкование), спекание подготовленной шихты на агломерационных машинах, обработку горячего спека (дробление, рассев с удалением кусков до 5 - 10 мм, охлаждение до 100°С, сортировка). Процесс спекания тесно связан с работой узлов и агрегатов, обеспечивающих подготовку сырых материалов для агломерации. Поэтому первостепенное значение имеет стабилизация основных входных параметров процесса (усреднение и дозировка материалов, химический состав, влажность и т.д.), которые открывают пути к комплексной автоматизации агломерационного процесса [11]. Агломерация осуществляется на агломерационных фабриках, в состав которых входят склады для усреднения и хранения запасов шихтовых материалов, приёмные бункера, отделения для измельчения кокса и известняка (иногда и обжига известняка), шихтовое, спекательное и обработки готового агломерата в соответствии с рисунком 1.4.

На современных агломерационных фабриках приём сырья, дозировка и подготовка шихты, укладка её на агломерационные машины, а также обработка готового агломерата полностью механизированы и в значительной степени автоматизированы [12].

Руда, концентрат, колошниковая пыль, а также другие добавки, не требующие дробления, подаются в шихтовое отделение из приёмных бункеров или со склада конвейерами. Коксовая мелочь и известняки поступают в отделение измельчения, а затем в шихтовое отделение. Сюда же направляется возврат (мелочь, отсеянная от готового агломерата). Шихтовое отделение оборудовано бункерами, ёмкость которых обеспечивает работу агломерационных машин в течение 8 - 10 часов. Из шихтовых бункеров заданные количества каждого из компонентов шихты дозировочными питателями выдаются на сборный конвейер, который передаёт шихту в барабаны первичного смешивания и затем в бункера шихты агломерационных машин, расположенные в спекательном отделении. Перед загрузкой на агломерационную машину шихта подвергается вторичному смешиванию, увлажнению и частичному окатыванию в окомковательных барабанах.

Рисунок 1.4 - Технологическая схема агломерационной фабрики: 1 - конвейер для подачи шихтовых материалов со склада или из приёмных бункеров; 2 - бункера шихтового отделения; 3 - конвейер; 4 - весы; 5 - смесительный барабан; 6 - бункера шихты спекательного отделения; 7 - бункера топлива; 8 - смеситель-окомкователь; 9 - бункер постели; 10 - распределитель-укладчик шихты; 11 - агломерационная машина; 12 - эксгаустер; 13 - горн; 14 - камера горячего воздуха; 15 - дробилка; 16 - грохот; 17 - охладитель; 18 - приёмные бункера возврата; 19 - дымососы; 20 - мультициклоны; 21 - дымовая труба; Г - газ; ГВ - горячий воздух; П - материал для защиты колосников от действия высокой температуры (постель); В - возврат

При разгрузке с машины агломерат дробится и сортируется с удалением из него мелочи (возврата), вновь используемой в шихте. Затем агломерат охлаждается и сортируется. Отходящие газы через газовый тракт и газоочистительное устройство отсасываются эксгаустером и через дымовую трубу удаляются в атмосферу.

1.2 Обзор существующих технологий

Агломерация на комбинированном топливе - с дополнительным обогревом спекаемого слоя, нагретым воздухом или пламенем газовых горелок, установленной на первой трети длины аглоленты непосредственно за зажигательным горном (разработана В. Шумахером в 1916 г., Германия). Улучшается качество верхней части пирога агломерата. Возможна замена части дефицитной коксовой мелочи дешевым газовым топливом [13].

Агломерация под давлением - агломерация с подачей сжатого воздуха сверху к спекаемому слою (предложена В. В. Лизуновым в 1929 г.). Резкое увеличение скорости фильтрации воздуха позволяет интенсифицировать горение твердого топлива и теплопередачу, повышая производительность аглоустановки (при 2 ат. над слоем) в 8 - 10 раз. Обеспечивается возможность спекания слоев шихты высотой до 1,5 м. Процесс отработан в лабораторных условиях: существует несколько проектов конвейерных и карусельных машин для спекания под давлением. Недостатком метода являются высокие энергетические затраты на сжатие подаваемого к аглоустановке дутья;

Агломерация с пульсирующим вакуумом - агломерация с ритмическим изменением вакуума для турбулизации движения газового потока в спекаемом слое (предложена А. Харитоновым в 1967 г.). В горловины вакуум-камер устанавливают вращающиеся «мотыльки», изменяющие сечения прохода газов с частотой 1,5 - 4 Гц. Производительность установки увеличивается на 8 - 10 %, объем вредных выбросов снижается на 30 %;

Двухзонная агломерация - технология агломерации руд, предложенная А. П. Николаевым (1929 г.), заключается в укладке на колосниковую решетку слоя шихты и его зажигании газовой горелкой, затем в укладке верхнего слоя шихты и его зажигании, что позволяет осуществить одновременное движение двух зон горения твердого топлива и увеличить производительность установки. В действительности нижняя зона горения, получая сверху газы, содержит лишь 3 - 4 % O2, гаснет из-за нехватки кислорода. Дополнительное обогащение воздуха кислородом до более 40 % O2, предложенное Е.Ф. Вегманом (1968 г.), увеличивает производительность установки в 3 - 3,5 раза.

Кислородная агломерация - агломерация с подачей к спекаемому слою обогащенного кислородом воздуха. Первые опыты проведены Е. Войсом и Р. Уайддом в 1952 г. (Англия). Применение кислорода вместо воздуха при однозонном спекании увеличивает производительность аглоустановки в два раза, а при двухзонном - в 3 - 3,5 раза. Степень использования кислорода 70 - 80 %, что позволяет получать качественный агломерат при экономии коксовой мелочи.

1.3 Цель агломерации

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 [14].

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 свободного 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).

Зависимость между потерями давления газа в слое (?р) и количеством движущегося в печи газа (для удобства анализа выраженного через скорость -wr, м3/м2·с), а также другими параметрами газа и слоя определяется по формуле

(1.1)

где Н - высота столба шихты;

dэкв - эквивалентный (средний) размер кусков шихты;

е - межкусковая пористость слоя (порозность);

сг - плотность газа;

л - эмпирический коэффициент.

Из формулы (1.1) следует, что повышение wr при сохранении постоянным ?р возможно при увеличении размеров кусков шихтовых материалов dэкв. Между тем концентраты, получающиеся в настоящее время при обогащении железных руд, представлены частицами 0,1 мм и меньше. Такие мелкие рудные материалы непригодны для непосредственного использования в плавке. Столб шихты высотой 20 м, сложенный из частиц такой крупности, практически непроницаем для газа. А если подобные пылевидные частицы и попадают в печь, то уже при скорости 0,5 м/с выносятся из нее потоком восходящего газа.

Из изложенного с очевидностью вытекает необходимость предварительного окускования мелких рудных материалов. По данным практики, оптимальные размеры кусков шихты составляют 20 - 40 мм, что удовлетворяет как требованиям газодинамики доменной плавки, так и условиям высокой скорости теплопередачи между газом и шихтой и интенсивному развитию гетерогенных процессов восстановления оксидов железа [15].

Из трех возможных способов окускования: а) брикетирования; б) агломерации и в) производства окатышей наиболее распространена агломерация, обладающая рядом существенных преимуществ перед двумя другими.

Агломерация (от лат. agglomerare - присоединять, прибавлять) в широком смысле - объединение в единое целое однородных частей. В более узком значении - применительно к металлургии - это процесс формирования агломерата - закристаллизовавшейся пористой массы из рудных частиц в результате их частичного плавления и последующего быстрого охлаждения.

Наряду с окускованием как главной целью при агломерации, протекающей при относительно высоких температурах (1300 - 1400 °С), идут и другие физико-химические процессы [16], улучшающие качество железорудного сырья:

- разложение гидратных и карбонатных соединений;

- удаление из руд большей части серы (окислением до SO2и SO3).

Агломерация позволяет вовлечь в металлургическую переработку отходы других производств, содержащие повышенное количество железа: окалину прокатных и кузнечных цехов, колошниковую пыль доменного цеха, красные шламы глиноземных заводов, пиритные огарки сернокислотных заводов и др.

2. Описание технологического процесса

2.1 Общая схема агломерационного процесса методом просасывания

Типичная шихта, идущая на производство железорудного агломерата, состоит из следующих компонентов:

1) мелкий железорудный материал, как правило, концентрат;

2) измельченное топливо - кокс (фр. 0 - 3 мм), содержание в шихте 4 - 6 %;

3) измельченный известняк (фр. 0 - 3 мм), содержание до 8 - 10 %;

4) возврат - некондиционный агломерат от предыдущего спекания (фр. 0 - 8 мм), содержание 25 - 30 %;

5) железосодержащие добавки - колошниковая пыль из доменных печей, окалина прокатных цехов, пиритные огарки сернокислотного производства и др. (фр. 0-3 мм), содержание до 5 %.

Отдозированные в заданном, заранее рассчитанном соотношении компоненты перемешивают, увлажняют (для улучшения окомкования) и после окомкования без уплотнения загружают на колосниковую решетку слоем 300-400 мм. Затем включают нагнетатель - вентилятор, работающий на отсос. Под колосниковой решеткой создается разрежение, благодаря которому в слой вначале засасывается поток горячих горновых газов, обеспечивающих «зажигание» шихты, т. е. нагрев поверхностного слоя примерно до 1200 °С (в течение 1,5 - 2,0 мин). Поступающий затем в слой в остальное время, процесса атмосферный воздух обеспечивает интенсивное горение частиц кокса шихты. В зоне максимальных температур (1400 - 1450 °С) происходит частичное плавление рудных зерен, их слипание, а затем в ходе последующей кристаллизации образуется пористая структура - агломерационный спек [17].

В каждый момент времени происходит воспламенение нагретых до 700 - 800°С частичек топлива в слое шихты, примыкающем к нижней границе зоны горения. Одновременно заканчивается горение частиц топлива на верхней границе зоны горения.

Структура агломерируемого слоя, сущность протекающих в отдельных зонах процессов могут быть определены более детально в соответствии с рисунком 2.1, на котором представлены результаты прерванного примерно на середине спекания.

Как видно, определяющей зоной является горизонт с максимальной температурой - зона плавления - зона формирования агломерата (2). Выше этой зоны находится слой пористого агломерационного спека (1). В расположенной ниже зоне интенсивного нагрева (3) происходит быстрый нагрев спекаемого материала - со скоростью до 800 град/мин. и такое же быстрое охлаждение продуктов горения. Выходя из этой зоны, газ с температурой 300 - 400°С попадает во влажную шихту - образуется зона сушки (4). В этой зоне газ охлаждается до 50 - 60°С и покидает ее насыщенным парами воды. В расположенной ниже холодной шихте (15 - 20°С) газ охлаждается, становится пересыщенным, и часть паров воды в этой зоне конденсации (6) в виде капелек осаждается на комочках шихты, увеличивая их влагосодержание. Так как скорость движения зоны конденсации в несколько раз больше скорости перемещения по слою зоны сушки, между этими зонами со временем образуется слой переувлажненной шихты (5). При этом быстро уменьшается толщина слоя исходной шихты (7) [18].



Рисунок 2.1 - Структура агломерируемого слоя и распределение температур в отдельных его зонах

«Развертка агломерационного процесса во времени» - по длине машины представлена в соответствии с рисунком 2.2.

Рисунок 2.2 - Схема расположения отдельных зон в продольном сечении агломерируемого слоя

Как видно, общее время агломерации можно разбить на три периода: начальный, когда формируются основные зоны спекаемого слоя (в этот период осуществляется зажигание аглошихты, примерно за это же время происходит переувлажнение всего слоя шихты); основной период, когда тепловой и газодинамический режимы стабилизировались, и происходит перемещение по слою зон формирования агломерата, интенсивного нагрева, сушки; заключительный, в течение которого последовательно «выклиниваются» все зоны спекаемого слоя, на ленте остается только охлаждающийся агломерационный спек [19]. Процесс считается законченным, когда зона формирования агломерата дойдет до колосников спекательных тележек. При вертикальной скорости спекания 20 мм/мин слой шихты толщиной 300 мм превращается в агломерат за 15 мин.

Современный агломерационный процесс относится к типу слоевых, когда проходящий через слой спекаемых рудных материалов воздух выполняет две главные функции: поставляет кислород для обеспечения горения частичек твердого топлива шихты и осуществляет перенос тепла из одного элементарного слоя в другой. В связи с этим высокие технико-экономические показатели агломерационного процесса могут быть достигнуты только при интенсивном поступлении воздуха в спекаемый слой. Между тем, агломерационные шихты, содержащие пылевидные железорудные концентраты (с размером частиц < 0,1 мм) обладают очень высоким газодинамическим сопротивлением. Поэтому обязательной подготовительной операцией является «окомкование» шихт - процесс формирования гранул размером 2 - 8 мм. Слой такой окомкованной, хорошо газопроницаемой, шихты позволяет достичь высоких скоростей движения газового потока (до 0,5 - 0,6 м/с) при относительно небольших перепадах давлений над и под слоем (10 - 15 кПа).

Одной из характерных особенностей агломерации железорудных материалов является интенсивный тепло- и массообмен в слое шихты благодаря ее высокой удельной поверхности (30 - 50 см2/см3). Именно этим объясняется относительно небольшая высота (по 15 - 40 мм) зон плавления, интенсивного нагрева, сушки, конденсации [20]. Следствием этой особенности процесса является небольшое время пребывания каждого элементарного объема спекаемого материала при высоких температурах - 1,5 - 2,0 мин. Поэтому технологи должны обеспечить такие условия процесса (крупность частиц компонентов шихты, скорость движения газа в слое и др.), чтобы за это небольшое время успели пройти основные химико-минералогические и физические процессы, обеспечивающие получение агломерата требуемого качества: выгорание углерода и серы, диссоциация карбонатов, нагрев рудных частиц до температур плавления, их слипание и др.

Второй особенностью процесса агломерации является возникновение неоднородного температурного поля в объеме спекаемого материала. Из-за точечного распределения частичек топлива в шихте очаги горения-плавления чередуются с участками материала (шихты или спека), находящимися в твердом состоянии. В результате локальной усадки расплавленного материала в очаге горения образуются поры размером 3 - 10 мм. Благодаря этой особенности сохраняется пористая достаточно газопроницаемая структура слоя в зоне существования расплавов. Дополнительные поры возникают при выделении газов от горения углерода, серы, диссоциации карбонатов, восстановления оксидов железа и др.

Третья особенность агломерации заключается в том, что горение частиц топлива в слое происходит в условиях двойной регенерации тепла: воздух, поступающий в зону горения, предварительно подогревается до 1000 - 1100 °С в слое охлаждающегося спека, а топливо (и остальная часть шихты) перед воспламенением нагреваются до 700 - 800 °С потоком горячих газов, выходящих из зоны горения. В течение примерно 80 % времени спекания выходящий из слоя газ имеет температуру 50 - 60 °С. Это значит, что основное количество тепла от зажигания и горения углерода твердого топлива шихты остается внутри слоя и участвует в теплообменных процессах [21].

Еще одна положительная особенность агломерации железорудных материалов состоит в том, что в результате частичного восстановления оксидов железа в зоне умеренных температур значительно снижаются температуры плавления таких восстановленных материалов - на 150 - 200 °С, благодаря чему существенно сокращается потребность в тепле на процесс - это позволяет снизить содержание топлива в шихте при сохранении достаточно высокой прочности агломерата. Указанное выше делает агломерацию методом просасывания исключительно эффективным процессом с точки зрения теплотехнических показателей: при содержании углерода в шихте всего 3 - 5 % удается нагревать спекаемый материал до 1400 - 1450 °С.

Шихтовые материалы агломерации. Шихту для производства агломерата составляют из следующих основных компонентов: концентрата, железной руды, флюса, топлива и возврата агломерата. Дополнительно в шихту вводят различные отходы производства: колошниковую пыль, доменные и сталеплавильные шламы, прокатную окалину и др., являющиеся дешевыми заменителями железной руды.

При агломерации используют железные руды и концентрат, а также иногда марганцевые руды. Руды представляют собой совокупность различных минералов. Минералы, содержащие добываемый металл называются рудными. Железные руды классифицируются по типу рудного металла.

Деление железных руд на группы зависит также от состава пустой породы: кремнистой (SiO2), магнезиальной (MgO) и глиноземистой (Al2O3). Дополнительно выделяются руды с самоплавкой пустой породы, они имеют природную основность CaO / SiO2 = 0,6 - 1,1, что позволяет проводить доменную плавку без применения основного флюса.

При агломерации используют твердое топливо (коксовую мелочь, антрацитовый штыб, тощие угли, и др.), жидкое (мазут) и газообразное (коксовый, доменный и природный газы).

Для процесса спекания используют коксовую мелочь, тощий уголь, антрацитовый штыб и другие.

Основные флюсы (известняк и доломит) вводят в агломерат для получения заданной основности. Использование офлюсованного агломерата позволяет вывести из состава доменной шихты сырой известняк, что положительно влияет на ход доменной плавки и значительно снижает расход кокса [22]. Экономия кокса составляет 20 - 30 кг на каждые 100 кг известняка, выведенные из состава доменной шихты.

Отходы металлургического производства (пыль, шламы, окалину и др.) целесообразно использовать при агломерации.

Складирование и усреднение сырых материалов. Аглофабрики получают сырье от горно-обогатительных фабрик по железной дороге. Вагоны разгружают вагоноопрокидователями роторного и башенного типа непосредственно в приемные бункеры фабрики или в рудную траншею. Затем материалы поступают на накопительные и усреднительные склады открытого и закрытого типов.

Складирование материалов проводят, во-первых, для создания запасов сырья с целью обеспечения бесперебойной работы аглофабрики; во-вторых, для усреднения шихтовых материалов.

Химический, минералогический и гранулометрический составы руд и концентратов, поступающих на аглофабрики, непостоянны. Использование в доменной печи сырья с большими колебаниями состава вызывает необходимость вести плавку с избытком топлива во избежание расстройства хода печи. Для доменной плавки необходимо обеспечить колебания содержания железа в агломерате не более 0,3 - 0,5 % от заданного.

Усреднение рудных компонентов осуществляют на усреднительных складах аглофабрик. Цель усреднения - получение агломерата с минимальными колебаниями химического состава. Усреднение достигается послойной укладкой материалов в штабель с последующим забором их с торца штабеля. Штабеля можно укладывать тремя способами:

1) рудно-грейферным перегружателем;

2) конвейером с движущейся разгрузочной тележкой (автостела);

3) напольным штабелеукладчиком.

Для каждого сорта складируемого материала организуется не менее двух штабелей: один - формируемый, другой - расходуемый. Руду из штабеля забирают рудно-грейферным краном, экскаватором или напольной усреднительной установкой [23].

Дробление и грохочение сырых материалов. Известняк и топливо, поступающие на аглофабрику, имеют крупность, превышающую необходимую для успешного спекания агломерата. Крупность известняка и топлива должна составлять не более 3 мм. Содержание класса > 3 мм не должно превышать 3 % для известняка и 5 % для топлива, причем для топлива количество класса 0 - 0,5 мм должно быть минимальным. Поэтому возникает необходимость дробления известняка и топлива. Тонкий железорудный концентрат (< 0,074 мм), мелкая аглоруда (< 8 мм) не нуждаются в дроблении.