Производство окатышей

Развитие эксплуатации месторождений бедных руд и их обогащения привели к быстрому росту производства тонкоизмельченных концентратов и увеличению содержания последних в агломерационной шихте. Однако оказалось, что это приводит к существенному снижению производительности агломерационных машин – на 20–40%.
В то же время транспортировка концентрата на большие расстояния создала значительные неудобства и трудности (смерзание, залипание, сложность перегрузки и т.д.). Перевозка же агломерата на большие расстояния, как показала практика, нерациональна из-за значительного его разрушения. Заметное разрушение агломерата происходит и при перегрузках, загрузке в печь, в самой печи. Эти обстоятельства вызвали появление нового способа окускования тонкоизмельченных концентратов – производство окатышей, которые можно перевозить на любые расстояния, к тому же газопроницаемость их насыпной Массы больше, чем агломерата. Предложения о подобном способе окускования были опубликованы И.П. Семиком еще в1936 г., а первые опыты в СССР проведены В.Я. Миллером еще раньше. Первые промышленные установки были созданы в 1945–1955 гг. в США. Затем этот способ быстро развивался, и в настоящее время доля окатышей в общем объеме производимого окускованного сырья составляет 25–30%. На рисунке 6.18 приведена схема производства окатышей. Из шихтовых бункеров 3 на конвейере 2 дозируются концентрат и измельченный до частиц крупностью 0–0,3 мм известняк.

1 – смесительный барабан; 2 – шихтовый конвейер; 3 – шихтовые бункера; 4 – бункер для бентонита; 5 – дисковый гранулятор; 6 – обжиговая машина; 7 – мельница для измельчения возврата; 8 – вентиляторы; 9 – грохот

Рисунок 6.18 - Схема производства окатышей
Затем шихту смешивают в барабане 1 и подают на гранулятор 5. Он представляет собой круглый диск (тарель) с бортами, расположенный наклонно. При вращении диска на его поверхности происходит накатывание окатышей. Перед гранулятором для лучшего окомкования к добавляют 0,3–1,5% бентоните глины (чаще 0,5–1% от массы шихты), а на гранулятор через распылю форсунку подается вода, Образовавшиеся на грануляторе окатыши направляются в устройство для обжига. На схеме в качестве такого устройства показана наиболее распространенная конвейерная машина, аналогичная агломерационной. Машина разделена на три зоны: сушки (I), обжига (II) и охлаждения (III). В зону сушки подаются нагретые газы, выходящие из зон обжига и охлаждения, которые нагревают окатыши до 200–400 °C. Просасываемые сверху вниз газы высоконапорным вентилятором 8 выталкиваются в дымовую трубу. Зона I обжига перекрыта горном с газовыми или мазутными, горелками. Продукты горения просасываются вниз и нагревают окатыши до 1300–1350 ^оС. Отсасываемые вентилятором газы направляются в зону сушки. В конце машины располагается зона охлаждения окатышей, так как транспортировать их с помощью нагретого воздуха нельзя. Охлаждение производится просасыванием воздуха снизу вверх.
Нагретый воздух подается также в зону сушки. Охлажденные окатыши сортируются на грохоте 9, фракция >10 мм направляется потребителям, а фракция <10 мм является возвратом. Образующийся возврат либо спекают на аглофабриках, либо после тонкого измельчения используют для производства окатышей.
Главными этапами процесса являются: подготовка шихтовых материалов, дозирование и смешивание шихты; производство сырых окатышей; сушка, обжиг и охлаждение окатышей.
Подготовка шихтовых материалов ничем не отличается от такого процесса на аглофабрике. Особенностью является необходимость тонкого измельчения всех шихтовых материалов. Наличие крупных фракций в шихте нарушает процесс окатывания на грануляторе и резко снижает прочность окатышей. Другая особенность состоит в необходимости подавать на гранулятор концентрат строго определенной влажности – 9–10%. Как более влажный, так и более сухой концентраты не окатываются. Обезвоживание концентрата до заданной влажности необходимо выполнять на обогатительной фабрике.
Производство сырых окатышей является начальным этапом процесса. Принципиально процесс окатывания в данном случае не отличается от окомкования агломерационной шихты. Главными факторами, определяющими процесс, являются степень измельчения концентрата, содержание влаги, свойства и количество добавляемых связующих веществ и свойства увлажняющей жидкости.
Практика показывает, что удовлетворительное окатывание осуществляется только при содержании в концентрате 85–90% фракции 0,074 мм. Известняк и возврат необходимо измельчать до крупности частиц 0,3 мм.
Механизм процесса окомкования при производстве окатышей мало отличается от механизма окомкования агломерационной шихты.
Прочность сцепления частиц во влажном состоянии в значительной мере определяется величиной удельной поверхности материалов, которая, в свою очередь, зависит от величины частиц. Кроме того, прочность сцепления частиц зависит от их влажности. Зависимость прочности окатышей от количества влаги – экстремальная. При увеличении количества влаги прочность возрастает до определенного предела, обусловленного действием капиллярных сил. При дальнейшем увеличении влажности, прочность окатышей снижается, а затем снова возрастает. Второй максимум прочности объясняется тем, что при увеличении влажности с одновременным воздействием динамических нагрузок избыток влаги выжимается на зерне концентрата, в результате чего зерна уплотняются. Прочность окатышей в этом случае обусловлена действием молекулярных сил. Оптимальная влажность тонкоизмельченных концентратор составляет 9–40%. Сырые окатыши должны обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться при транспортировке к обжиговому агрегату, а также хорошей термостойкостью, чтобы не разрушаться при нагреве. Для получения достаточно прочных и термостойких сырых окатышей в шихту обычно вводят бентонитовую глину (бентонит).
Для окомкования используют барабанные или дисковые грануляторы. Барабанный гранулятор принципиально не отличается от окомкователя агломерационной шихты за исключением значительно большей продолжительности пребывания материала в барабане. Тарельчатый гранулятор (рисунок 6.19) представляет собой плоскую чашу 2 диаметром 5,5 м с бортами, расположенную под углом 40–0° к горизонтали.

1 – установка скребков; 2 – чаша; 3– механизм изменения угла наклона чаши; 4 – рама гранулятора
Рисунок 6.19 - Схемы перемещения материалов в грануляторе (а) и общий вид
тарельчатого гранулятора (б)
Угол наклона чаши с помощью механизма 3 можно изменять. Мотор через механизм привода позволяет регулировать скорость вращения чаши от 6 до 9 об/мин. Производительность такого гранулятора составляет, 30–40 т/ч. Тарельчатые грануляторы производят окатыши определенного размера, что зависит от высоты борта чаши, угла наклона тарели, влажности материала, содержания бентонита в шихте и т.д.
Сушка окатышей – подготовительная операция перед обжигом, необходимая для повышения прочности окатышей и предохранения их от разрушения при обжиге. Производительность процесса зависит от скорости нагрева, имеющей определенный предел, превышение которого приводит к разрушению окатышей. Сушка может производиться как в отдельных агрегатах, так и в одном агрегате с обжигом.
Цель обжига окатышей – их упрочнение. Для этого высушенные окатыши подвергаются дальнейшему нагреву, при котором происходит их упрочнение. Оно является результатом спекания и слипания мелких частиц железорудных материалов, нагретых до температуры размягчения и плавления. Процесс спекания протекает при нагреве до температуры порядка 0,7– 0,8 температуры плавления основного компонента окатыша. Спекание объясняется проявлением одного из принципов термодинамики – стремлением любой системы к снижению ее термодинамического потенциала. Окатыш состоит из дисперсных материалов, которые представляют собой системы с высокоразвитой удельной поверхностью, Обладающие высокой свободной поверхностной энергией. При спекании происходит одновременное уменьшение поверхности частиц и свободной поверхностной энергий системы. Поэтому спекание является необратимым процессом, при котором уменьшение свободной энергии вызвано уменьшением поверхности частиц.
При наличии в окатыше оксидов или соединений, реагирующих с оксидами железа в твердых фазах с образованием химических соединений (ферритов, силикатов) или твердых растворов, скорость спекания изменяется. Так, добавление оксидов кальция, магния или ферритов кальция к гематиту ускоряет процесс. Максимальная скорость спекания соответствует смеси 92–95% оксидов железа и 5–8% оксидов кальция или магния. Добавка оксида кремния (кварца) к гематиту снижает, скорость спекания.
Сущность физико-химических превращений по мере повышения температуры представляется следующей последовательностью:
1. Окисление магнетита до гематита. Поскольку окомковываются в основном магнетитовые концентраты, то магнетит является основной составляющей сырых окатышей. Поэтому при нагреве в окислительной атмосфере магнетит окисляется до гематита по реакции
4Fe₃О₄ + О₂ → 6Fe₂О₃.
Скорость процесса зависит от температуры и содержания кислорода в газах. Процесс протекает при температуре до 1000 –1050 °С.

2. Рекристаллизация гематита. При температуре свыше 1000–1050 °С возможна рекристаллизация гематите – мелкие зерна его объединяются в крупные за счет диффузии в твердом состоянии. Однако развитие этих процессов по ряду причин затруднено и поэтому влияние на прочность окатышей незначительно.
3. Термическая диссоциация гематита. При нагреве до 1300–1380 ^оС начинается процесс термической диссоциации гематита по реакции:
6Fe₂О₃ → 4Fe₃О₄ + О₂.
Это приводит к снижению прочности окатыышей, но одновременно с этим появляются жидкие фазы и начинается процесс жидкофазного спекания.
4. Упрочнение за счет образования жидкой фазы (шлакового связующего). Этот процесс ничем не отличается от формирования структуры агломерата и подчиняется тем же закономерностям. В неофлюсованных окатышах основой жидкой фазы являются SiО₂, Fe₂О₃ и Fe₃О₄. Фаялитовое связующее развито минимально, так как почти отсутствует FeO, но значительно большую роль играет силикатное связующее, образующееся при взаимодействии Fe₃О₄ и SiO₂. В офлюсованных окатышах основой жидкой фазы являются ферриты кальция (CaO∙Fe₂О₃ и 2СаО∙Fe₂О₃) с температурой плавленая 1210–1230 °С, так как силикаты плавятся при более высокой температуре, а оливины почти отсутствуют. Жидкофазное спекание имеет решающее значение для упрочнения окатышей.
В отличие от процесса агломерации при обжиге окатышей количество жидкой, фазы должно быть невелико, поскольку в5противном случае окатыши оплавляются, что, приводит к сплавлению их в прочные гроздья и конгломераты. Ограничение количества жидкой фазы достигается осуществлением обжига в строго определенном интервале температур. Количество расплава, обеспечивающее высокую прочность окатышей и отсутствие гроздьев и конгломератов, колеблется в пределах 12–20 % от массы окатышей.
На прочность окатышей оказывает влияние не только количество жидкой фазы, но ее физические свойства (вязкость, смачиваемость); Жидкая фаза с низкой вязкостью и хорошей смачивающей способностью лучше обтекает зерна концентрата и обеспечивает получение прочных окатышей. Поэтому добавление компонентов, снижающих вязкость расплава (МnО), и получение расплава, хорошо смачивающего зерна концентрата (расплав на основе ферритов кальция), увеличивают прочность окатышей.
Охлаждение окатышейнеобходимо для обеспечения нормальных условий транспортировки и использования их физической теплоты.
Обжиг окатышей осуществляется в агрегатах трех типов: шахтных печах, конвейерных машинах и комбинированных установках. Шахтные печи не получили значительного распространения, несмотря на низкие эксплуатационные затраты. Это объясняется относительно низкой производительностью печей и возможностью разрушения и оплавления окатышей, что приводит к образованию настылей на стенах шахты и нарушению движения газового потока в столбе материалов.
Наиболее распространен обжиг окатышей на конвейерных машинах, которые по устройству аналогичны агломерационным. Отличие конвейерных машин для обжига окатышей состоит в том, что они имеют повышенную стойкость колосников, позволяют достичь более высоких температур; создают меньшее разрежение под колосниковой решеткой ввиду высокой газопроницаемости слоя окатышей, что позволяет заменить эксгаустеры высокотемпературными вентиляторами; лента машины разделена на зоны разного назначения.
На рисунке 6.20 показана схема конвейерной машины для обжига окатышей. В соответствии с технологией процесса обжига для более полного использования теплоты машина разделена на технологические зоны, перекрытые сверху специальными секциями горна. Чаще всего конвейерная машина состоит из следующих секций: сушки (одна или две секций), подогрева, обжига (от одной до, трех секций), рекуперации и охлаждения (одна или две секции).
Сушка окатышей осуществляется горячими газами, подаваемыми из зоны обжига снизу вверх (I зона сушки) и из зоны охлаждения сверху вниз (II зона сушки) В зонах подогрева III и обжига IV установлены газовые горелки. Продукты сжигания газа просасываются сверху вниз и нагревают окатыши до нужной температуры. Выходящие из зон I,II и III газы нагреты до температуры 150–170 ^оС, поэтому они направляются в дымовую трубу. В зоне IV окатыши нагреваются до температуры около 1350 °С, тут проходят их жидкофазное спекание и упрочнение. Отходящие газы используются в зоне сушки I. В зоне V начинается охлаждение окатышей, которое осуществляется воздухом, подогретым при охлаждении окатышей в зоне VI.

1 – привод машины; 2 – вакуум-камеры; 3 – высокотемпературные вентиляторы; 4 – горелки; 5 – горн машины
Рисунок 6.20 - Схема конвейерной машины для обжига окатышей
Выходящий из зоны V воздух присоединяется к продуктам горения, поступающим из зоны IV. Таким образом, используется теплота нагретых при обжиге окатышей, поэтому зона V называется зоной рекуперации. В зоне VI проходит основное охлаждение окатышей воздухом, просасываемым снизу вверх. Завершается охлаждение в зоне VII. Нагретый при этом воздух из зон VI и VII направляется для сжигания газа в зонах III и IV. Представленная схема является типичной, но в зависимости от состава и свойств концентрата, основности окатышей, наличия вредных примесей, особенностей конструкции и по другим соображениям она может изменяться.
Обжиговые машины отличаются от агломерационных, прежде всего, повышенной жаростойкостью тележек и колосников, более сложным уплотнением между тележками и рамой машины, системой газопроводов, обеспечивающей переток газов и воздуха по зонам, наличием высокотемпературных вентиляторов – дымососов.
Уплотнение между движущимися тележками и неподвижными вакуум-камерами может быть с гидравлическим и пружинным прижимом (рисунок 6.21). В обоих вариантах соприкасающиеся пластины тележек 2 и продольно соединенные шарнирами пластины камер 3 удерживаются от смещения упорами 4. Прижатие нижней пластины осуществляется резинотканевым рукавом 1, в который подается вода под давлением, или пружинной системой. Последняя состоит из пружины 7, стержня б и регулировочной втулки 8. Пружина прижимает нижнюю пластину 3 к пластине тележки 2, а герметизацию системы обеспечивает лента из стеклоткани 5, соединенная с пластиной и горловиной вакуум-камеры. Пружинная система более устойчива к действию высоких температур.