title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Сущность процесса агломерации

Сущность процесса агломерации

Сущность процесса агломерации методом просасывания заключается в следующем.
Рудная мелочь, часто в смеси с более или менее заметным количеством колошниковой пыли, тщательно перемешанная с измельченным до крупности 3—0 мм топливом и увлажненная до определенного оптимального предела, в разрыхленном состоянии загружается на колосники спекательного аппарата слоем высотой 200—350 мм; затем топливо в смеси зажигается от какого-нибудь сильного источника тепла. Одновременно в камерах, расположенных под колосниками машины, создается посредством эксгаустера разрежение от 1000 до 1200 мм вод ст., благодаря чему воздух, необходимый для сжигания топлива, содержащегося в агломерационной шихте, просасывается через весь слой шихты, загруженной на колосники. Начавшееся в верхнем слое смеси горение постепенно проходит через всю толщу .слоя и заканчивается у колосниковой решетки аппарата. При горении топлива шихты на весьма короткие промежутки времени возникает высокая температура, достигающая 1400° С и выше, достаточная для сплавления рудных зерен и их частичной перекристаллизации. Горение не распространяется одновременно на весь слой загруженной шихты, а проходит сравнительно узко ограниченной зоной (20—25 мм, по данным Хохлова и Миллера), постепенно спускающейся от верхнего горизонта загруженной шихты вниз к колосниковой решетке К этому моменту процесс спекания заканчивается и весь слой загруженной шихты превращается в ноздреватый пористый кусковый продукт.
Прежде чем рассмотреть более подробно явления, сопровождающие процесс спекания, необходимо указать на особенности процесса спекания методом просасывания:
а) топливо горит без пламени;
б) воздух, поступающий для горения, проходит через раскаленный агломерат и, охлаждая его, подогревается до температуры, близкой к температуре агломерата;
в) тепло от газов к шихте передается очень хорошо благодаря значительным поверхностям соприкосновения.
Процессы спекания можно условно подразделить на: а) стадию подготовительную; б) стадию горения и в) стадию охлаждения.
После воспламенения топлива на поверхности шихты раскаленные продукты горения, отсасываясь через нижележащую холодную шихту, отдают ей свое тепло. Благодаря происходящему подогреву в верхних слоях испаряется влага, которая конденсируется в нижележащих, недостаточно нагретых горизонтах шихты. По мере опускания вниз зоны спекания испарение захватывает все большие зоны, при этом накопление сконденсировавшейся в нижних горизонтах влаги увеличивается.
Вслед за испарением влаги, благодаря воздействию раскаленных продуктов горения и приближению зоны горения, шихта постепенно разогревается до температуры воспламенения топлива. Процесс вступает во вторую стадию, которая характеризуется частичным восстановлением окислов железа и образованием жидких фаз. В зависимости от расхода топлива, а также от состава руды количество жидких фаз может быть большим или меньшим. При большом количестве жидких фаз агломерат получается сильно оплавленным, при малом — едва спеченным.
Вслед за оплавлением и продвижением зоны спекания в нижние горизонты шихты наступает третья стадия процесса агломерации: оплавившийся материал подвергается охлаждению холодным воздухом, поступающим для горения в нижележащую зону спекания. При этом ранее восстановленные окислы железа частично окисляются.
Физико-химические превращения, происходящие в процессе спекания железных руд, в общих чертах могут быть охарактеризованы следующим образом.
Окись железа превращается в магнитную окись либо в результате восстановления по реакции 3Fe2О3+CО = 2FC3O4+CO2 либо в результате диссоциации: 6Fe2О3 —> 4Fe3О4+О2. Диссоциация окиси железа становится возможной потому, что значительно повышается температура в слое, где происходит горение, а парциальное давление кислорода в газовой фазе сравнительно невелико.
При температурах, развивающихся в процессе агломерации, упругость диссоциации Fe3O4, вообще говоря, ничтожно мала. Однако, по данным. С.Т. Ростовцева, упругость диссоциации Fe3O4 в условиях, обеспечивающих взаимодействие Fe3O4 с SiO2, повышается до величин, приближающихся к величине упругости диссоциации Fe2O3; это объясняется взаимодействием магнитной окиси железа с кремнеземом, в результате которого образуется свободная окись железа.
В силу этого в элементарных объемах с очень малым парциальным давлением кислорода возможна реакция, конечный результат которой выражается уравнением:
2Fe3O4 + 3SiO2 = 3Fe2SiO4 + O2 — 116290 ккал.

В элементарных объемах с восстановительной атмосферой реакция образования файялита будет протекать следующим образом:
2Fe3O4 + 3SiO2 + 2СO = 3Fe2SiO4 + 2СO2 + 23 200 ккал.

Образующийся файялит начинает плавиться при температуре 1200—1250°. Сплавы файялита с закисью железа, магнетитом и кремнеземом еще более легкоплавки, что облегчает образование жидкой фазы.
Реакция образования файялита в жидкой фазе ускоряется; это способствует растворению новых количеств магнетита и кремнезема.
Образовавшаяся жидкая фаза распространяется за счет образования силикатов и процессов растворения в направлении движения зоны горения. В зависимости от расхода горючего этот процесс может привести к полному или частичному расплавлению материала в зоне горения.
По мере передвижения зоны горения сверху вниз температура готового агломерата понижается, жидкие и полужидкие массы затвердевают и образуется более или менее прочный кусковой и пористый материал.
Вообще говоря, образование прочного кристаллического сростка из порошка окиси железа возможно и при полном отсутствии жидкий фазы, в результате лишь нагревания.
Однако в ряде случаев, в частности, при спекании криворожской руды, процессы рекристаллизации не получают развития, достаточного для прочности срастания зерен. В таких условиях отсутствие жидкой фазы полностью исключает возможность спекания.
Роль жидкой фазы не заключается в простом цементировании зерен. Роль цемента выполняет остающееся в агломерате стекло, но при этом происходит не склеивание рудных зерен, а сваривание скелета. Этот скелет состоит из новых кристаллообразований, вступающих в реакцию с жидкой фазой в местах ее появления.
Большое значение имеют процессы растворения избыточного окисла с рекристаллизацией и кристаллизацией из расплава.
Основными минералами, входящими в состав агломерата и образовавшимися в процессе спекания, являются:
1) магнетит, главнейший из минералов агломерата, образующийся в результате температурных воздействий при реакции восстановления, а также в процессе распада эвтектических сплавов;
2) гематит, который обычно находится на поверхности зерен агломерата, а также на границах пор и трещин (обычно гематит является минералом вторичного происхождения, образовавшимся в процессе охлаждения агломерата);
3) закись железа и металлическое железо, образование которых возможно при большом избытке топлива в шихте; однако и при горячем ходе содержание металлического железа в агломерате не превышает 0,5%;
4) алюмосиликаты и силикаты, в частности файялит.
Существенное влияние на эффективность процесса агломерации методом просасывания оказывает надлежащая подготовка агломерационной шихты, обеспечивающая должную ее газопроницаемость. При низкой газопроницаемости шихты нельзя обеспечить достаточный приток воздуха, необходимый для интенсивного горения. При малых количествах воздуха, поступающего в зону спекания, процесс горения идет очень вяло. Получаемые при этом температуры недостаточны для образования жидких фаз, и агломерата не образуется; при слишком плотной шихте может прекратиться даже начавшееся горение. Газопроницаемость агломерационной шихты зависит в основном от крупности рудных зерен и от степени окомкования шихты. При более крупных зернах проходы между зернами становятся более широкими, газопроницаемость шихты выше, и наоборот.
При увлажнении шихты образуются комочки из рудной мелочи, окомкование будет продолжаться до тех пор, пока вся шихта не будет представлять в идеальном случае отдельных округлых комочков. Дальнейшее увлажнение будет разрушать эти комочки, и газопроницаемость будет падать. Оптимальная величина влажности шихты зависит от физических свойств и от крупности спекаемой мелочи; для плотных руд она меньше, чем для мелкопористых порошковатых руд. Это объясняется тем, что при пористых рудах часть добавляемой влаги впитывается внутрь рудных зерен и не оказывает влияния на оком-кование. Более крупные зерна, как правило, требуют меньшего увлажнения, чем зерна более мелкие.
Для магнетитовых и мартито-гематитовых руд величина оптимальной влажности колеблется в пределах 6—9%, для бурых железняков и охристых руд — в пределах 14—28%.
Крупность материала, подвергающегося спеканию, может колебаться в очень широких пределах, начиная от очень мелкого класса с крупностью зерен не более 0,2—0,1 мм и до 10—12 мм. Введение в шихту, идущую на спекание, более крупных кусков является нежелательным, так как влечет за собой получение непрочного агломерата.
Кроме рудной мелочи и колошниковой пыли, в шихту, поступающую на спекание, добавляется так называемый возврат. Возврат представляет собой мелкий агломерат и отсеянную от агломерата неспекающуюся мелочь. Возврат отсеивается на колосниковом или роликовом грохоте.
Крупность возврата зависит от величины щели грохота; обычно она составляет 25—30 мм; при такой величине щели вместе с возвратом отсеивается некоторое количество кускового агломерата для постели, расположенной на колосниках под слоем шихты и служащей для предохранения колосников от прогара. Введение возврата в шихту всегда желательно, так как возврат — зернистый материал, он способствует увеличению газопроницаемости шихты, снижению расхода топлива, большему выходу годного агломерата, увеличению скорости спекания и, следовательно, улучшению условий спекания.
Обычно топливом служит отсев коксовой мелочи, однако может применяться также горючее и других сортов. Топливо, идущее в состав шихты, должно быть измельчено до определенной крупности. Применять крупные куски топлива нельзя, так как это сопряжено с получением неоднородной структуры агломерата и повышенным расходом колосников. Чрезмерно мелкое топливо замедляет и ухудшает процесс агломерации. Оптимальной следует считать крупность горючего в пределах 0—3 мм.
Количество добавляемого в шихту горючего влияет на механические качества и восстановимость агломерата. При небольшом расходе горючего агломерат получается с невысоким содержанием закиси железа. Такой агломерат называется окисным, он довольно хорошо восстанавливается, но обладает недостаточной механической прочностью.
При чрезмерно высоком расходе горючего и при наличии в руде большого количества кремнезема получается оплавленный агломерат с высоким содержанием закиси железа. Такой агломерат обладает высокой механической прочностью, но восстановимость его хуже, так как он более оплавлен, а содержание Файялита в нем повышено.
Оптимальный расход горючего, обеспечивающий правильное сочетание восстановимости и прочности агломерата, определяется опытным путем, в зависимости от качества рудного сырья. Для руд магнетито-гематитового типа оптимальный расход горючего (коксика) чаще всего составляет примерно 5—6%. Руды охристые для получения приемлемого по прочности агломерата требуют повышенного расхода горючего — до 9—10%; агломерат из этих руд получается сильно оплавленным, с высоким содержанием закиси железа (до 42%), причем пористость и восстановимость соответственно уменьшаются.
Большое значение имеет вопрос о поведении в процессе агломерации вредных примесей, находящихся в руде (например, серы, фосфора, цинка, мышьяка).
Сера в процессе агломерации может удаляться в очень значительной степени — до 98—99% при благоприятных условиях и 80—90% при менее благоприятных.
В рудах сера обычно находится в виде пирита FeS2, который при нагревании диссоциирует: FeS2 — FeS + S — 18610 ккал.
Одновременно с этим в условиях агломерации пирит может окисляться кислородом воздуха:
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2О3 + 8SО2 + 935 320 ккал.

Односернистое железо в присутствии кислорода воздуха при температуре 300—400° С также может окисляться:
3FeS + 5О2 = Fe3O4 + 3SО2 + 411 610 ккал.

При более высоких температурах может идти реакция:
FeS + 10Fe2O3 = 7Fe3О4 + SO2,

интенсивно протекающая при 850° С.
Чтобы обеспечить возможность наиболее полною выгорания серы, необходимо подвергать сернистые руды дроблению до крупности зерен 8—0 мм.
При спекании сернистых руд расход горючего необходимо снижать, по сравнению с агломерацией обычных руд, во-первых, потому что при выгорании серы выделяется тепло, а во-вторых, чтобы избежать образования легкоплавкой эвтектики FeS с FeO, что, вызывая преждевременное оплавление, будет затруднять окисление серы.
Фосфор при агломерации железных руд не удаляется. Цинк может удаляться в заметных количествах лишь при агломерации в восстановительной атмосфере и с хлорирующими добавками.
Мышьяк в процессе агломерации может удаляться лишь в тех случаях, когда он находится в виде летучей трехокиси As2O3. Однако трехокись мышьяка в присутствии кислорода может окисляться до нелетучей пятиокиси.

title-icon Подобные новости