Технологическая схема получения окатышей представляет собой комбинацию двух этапов: формирование окатышей (гранул) путем

окомкования влажных концентратов с добавками флюсов (известняка) и вяжущих добавок (бентонит) на окомкователях и упрочнение гранул (обжиговым или безобжиговым способами) для придания окатышам прочности, необходимой для хранения, транспортировки к доменным цехам и проплавки их в доменных печах.

Процесс образования сырых окатышей начинается при увлажнении материала водой. Капля воды при контакте с тонкоизмельченным материалом сохраняет свой размер и зерна концентрата переходят внутрь капли. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вся вода не израсходуется на поглощение зерен. В месте падения капли материал переувлажняется, образуется пленка воды, обволакивающая некоторое количество частиц. Под действием механических сил при перемешивании частиц концентрата происходит их сближение, вода вытесняется на поверхность и образует жидкостные мостики, которые частицы концентрата соединяют в комок. В результате образуются почти пластичные сгустки материала неправильной формы.

После кратковременного взаимодействия частиц в окомкователе

69

происходит их перестройка и окомкование, образуются сферические пористые зародыши окатышей. Этот переход от сгустков к зародышам происходит, как правило, очень быстро и требует минимального числа оборотов окомкователя.

Процесс образования зародышей, как первого этапа образования сырых окатышей, складывается из трех стадий: а) образования трехфазных зародышей комков (частицы, вода, воздух); б) быстрый рост комков (вытеснение воздуха); в) образование двухфазного комка (частицы и вода).

Наглядное представление о делении процесса окомкования на несколько стадий дает рис. 1.26. форма кривых и расположение их отдельных частей в значительной степени зависят от изменения удельной поверхности (крупности частиц) и влажности комкуемого материала.

Ведущим фактором, определяющим прочность сцепления частичек во влажном состоянии, является удельная поверхность материала, которая тем больше, чем выше содержание наиболее мелких фракций. Однако величина суммарной поверхности частиц шихты и конечные показатели процесса производства обожженных окатышей имеют между собой сложные связи. Так, рост удельной поверхности вызывает рост оптимальной влажности концентрата (~ 1,25% на каждые дополнительные 100 см2/г), что приводит к снижению производительности обжиговых машин примерно на 1,2%. Более плотные сырые окатыши вызывают снижение скорости и конечную степень
окисления, что отрицательно влияет на качество обожженных окатышей. Для каждого вида шихты существует оптимальная величина поверхности частиц, значение которой составляет 1300 -1500 см2/г.

Другим важным фактором, влияющим на окомкование, является содержание влаги в шихте, которое определяют экспериментально.

Сырые окатыши должны обладать достаточной прочностью во избежание деформации и разрушения при их доставке к обжиговому агрегату, а также хорошей термостойкостью, т. е. способностью не разрушаться при обжиге. Для усиления этих свойств в шихту окатышей вводят связующие добавки, главным образом, бентонит, который в количестве 0,5-1,5% вводят в шихту перед окомкованием. Бентонит - это глины, отличающиеся тонкой дисперсностью и высокой степенью набухаемости при увлажнении. Бентонит в основном состоит из монтмориллонита (Al, Mg)2.3 (ОН)2 • (Si4Oi0) • лН20 и близких к нему по составу минералов. Часть катионов кристаллической решетки способна замещаться ионами Са2+ и Na1_r. При увлажнении бентонит интенсивно поглощает воду, увеличиваясь в объеме в 15-20 раз. Выбор бентонита обусловлен его способностью при увлажнении образовывать гели с чрезвычайно развитой удельной поверхностью (600-900 м2/г), которая примерно в 7 раз больше поверхности частиц других сортов глины. Бентонит увеличивает пористость сырых окатышей, что благоприятно сказывается на скорости удаления влаги во время сушки окатышей без снижения их прочности.

Из-за ограниченности запасов бентонита и удаленности его месторождений от мест потребления он является дорогим материалом, поэтому следует искать более распространенные и дешевые связующие материалы. На современных фабриках окомкования сырые окатыши получают в окомкователях барабанных и тарельчатых (или чашевых) типов. Барабанный окомкователь (рис. 1.27) представляет собой цилиндрический барабан с гладкой внутренней поверхностью, который устанавливают под углом к горизонту (до 8-9°), и вращающийся на катках (частота вращения 7-11 мин"1). Зародыши окатышей при движении в барабане под действием силы тяжести и центробежной силы прижимаются к поверхности барабана. При этом на них накатывается слой концентрата мелкой фракции.

Размеры промышленных барабанов достаточно велики: диаметр 3 м и более, длина до 14 м. Производительность таких агрегатов по сырым окатышам составляет 90-100 т/ч. За барабаном-окомкователем устанав­ливают механический грохот, отсеивающий окатыши мелкой фракции (как правило, < 6-8 мм). Иногда грохот совмещают с барабаном в его разгрузочной части. Мелкая фракция, или циркуляционная нагрузка, составляющая 150-400% (по отношению к кондиционной фракции окатышей), специальным транспортером возвращается в загрузочное отверстие барабана. Использование циркуляционной нагрузки имеет большое значение для окомкования, так как в барабан подается большое количество зародышей (мелких окатышей), служащих центрами оком­кования. Этим обеспечивается высокая стабильность работы барабанных окомкователей, что является их несомненным преимуществом. Для равномерной выгрузки материала из барабана в его разгрузочной части имеются специальные спиралевидные вырезы. Предохранение внутренней поверхности барабана от абразивного воздействия комкуемым материалом и обеспечение условий для его перекатывания осуществляются гарнисажем (футеровкой), т. е. защитным слоем из этого же материала. Нормальный ход окомкования обеспечивается при оптимальном слое гарнисажа. Обрушение гарнисажа приводит к повышенному выходу некондиционных фракций. Для контроля толщины гарнисажа предусмотрены специальные очистные устройства (ножи), которые, кроме того, служат для создания на поверхности гарнисажа определенной шероховатости, улучшающей качество окомкования. Чашевые, или тарельчатые, окомкователи (рис. 1.28) представляют собой наклонно установленный (под углом 45-60°) диск с бортом. Исходная шихта, загружаемая во вращающуюся чашу, за счет силы трения между бортом и днищем поднимается на некоторую высоту. Скатываясь по наклонному днищу, зародыши накатывают на себя слой тонкого концентрата, превращаясь в частицы шарообразной формы. Учитывая, что частицы больших размера и массы при вращении тарели могут подниматься на большую высоту по борту, высота борта регулирует конечный размер сырых окатышей.

Диаметр тарели современных промышленных грануляторов состав­ляет 5-7 м. Их удельная производительность зависит от свойств шихты и достигает 90 т/ч. Тарельчатые грануляторы, уступая барабанным в произ­водительности и стабильности, обеспечивают получение более равномерных по крупности окатышей. Для тарельчатых окомкователей, как и для барабанных, важное значение имеют сохранение качественного слоя гарнисажа, правильный выбор угла наклона и скорости вращения чаши, а также влажности материала.

Механическая прочность сырых окатышей должна быть достаточной, чтобы не произошло их разрушение при транспортировке к обжиговым агрегатам. Обычно статические и динамические нагрузки моделируют испытаниями соответственно на раздавливание (сопротивление сжатию, кг/ок) и сбрасывание (удар, раз). Испытание на раздавливание проводят путем сжатия окатыша с целью определения усилия, при котором окатыши деформируются или разрушаются. Минимальное сопротивление раздавливанию одного окатыша должно составлять 9 Н для окатышей диаметром 9,5 мм.

При испытании на сбрасывание важно правильно выбрать высоту. В соответствии с реальными уровнями высот транспортеров при перегрузке высота сбрасывания должна быть не менее 300 мм. Сырые окатыши должны выдерживать без разрушения не менее 15 сбрасываний с высоты 300 мм.

В настоящее время более 99% промышленных окатышей получают путем высокотемпературной обработки в обжиговых агрегатах. В производственных условиях используют три типа агрегатов: конвейерные машины, шахтные печи и комбинированные установки. Для обжига в основном применяют конвейерные машины. Схема производства окатышей с использованием конвейерной обжиговой машины представлена на рисунке 1.29.

На рис. 1.30 приведена конструкция шахтных печей. Шахтные печи особенно широко применяли в начальный период развития производства окатышей.

Печи работают по принципу противотока: горячие газы поднимаются сквозь столб опускающихся окатышей. Для горения используют жидкое или газообразное топливо, сжигаемое в выносных топках, распложенных по обеим сторонам шахты печи. В верхней части печи происходят сушка, подогрев и обжиг окатышей, а в нижней - охлаждение окатышей холодным воздухом до 100-150°С. Температура отходящих газов составляет 150- 200°С.

Процесс обжига в противотоке отличается совершенством тепло­обмена, обеспечивающего высокую степень усвоения теплоты, поэтому для шахтных печей характерен низкий расход теплоты. При обжиге магне - титовых окатышей расход теплоты находится в интервале 380-630 МДж/т окатышей.

Различие конструкций шахтных печей главным образом сводится к способу использования воздуха после охлаждения окатышей.

Производство окатышей в шахтных печах характеризуется низкими эксплуатационным затратами. Исключается необходимость сложных в изготовлении и обслуживании высокотемпературных дымососов. Однако максимальная годовая производительность печей этого типа не превышает 0,5 млн. Шахтные печи приспособлены для производства неофлюсованных окатышей.

Конвейерная машина по устройству аналогична агломерационным машинам ленточного типа, но приспособлена для работы при более высоких температурах. Отходящие газы отсасываются не одним эксгаустером, как при агломерации, а несколькими. В соответствии с технологией процесса обжига для лучшего использования теплоты машина разделена на технологические зоны, перекрытые сверху специальными секциями горна. Тепловой режим в каждой секции устанавливают, как правило, независимо от режима других секций. Газы из каждой зоны отсасываются отдельными дымососами. Обычно конвейерная машина состоит из следующих зон: сушки (одна или две секции), подогрева, обжига (от одной до трех секций), рекуперации и охлаждения.

Схема газопотоков, принятая в настоящее время для большинства конвейерных обжиговых машин, предусматривает реверс теплоносителя в зоне сушки, устройство двух зон охлаждения и прямой переток из первой зоны охлаждения в зоны подогрева, обжига и рекуперации (рис. 1.31). Нагретый воздух из колпака второй зоны охлаждения подается во вторую зону охлаждения для прососа его сверху вниз и по мере необходимости в горелки зон сушки, подогрева, обжига и рекуперации. Так, конструкция обжиговых машин фирм «Лурги» имеет следующее распределение площади по зонам: сушки 20%, подогрева и обжига 35%, рекуперации 7%, охлаж­дения 38%. Такие машины установлены на СевГОКе в Кривом Роге.

Площадь отечественных обжиговых машин составляет 108, 306 и 520 м2 (рис. 1.31). Основные характеристики этих машин приведены в табл. 1.11.

Совершенствование системы газопотоков конвейерных обжиговых машин идет по пути сочетания продува и прососа теплоносителя через слой окатышей с максимальным использованием теплоты газов, отходящих из зон обжига, рекуперации и охлаждения.

Наиболее дорогостоящей и тяжелой частью конвейерной машины являются обжиговые тележки (паллеты), составляющие 60-70% ее массы и

76

изготовляемые из легированных жаропрочных сталей. Поэтому снижение массы паллет и увеличение срока их службы могут дать значительный экономических эффект. Стойкость паллеты лимитирует ее ширину, а следовательно, и площадь машины. Проблему стойкости паллет решают путем создания тележки с составным корпусом, разделенным по высоте на 2-3 части, и применения донной и бортовой постели из обожженных окатышей. Колосники обжиговых тележек выполняют из чугуна, углеро­дистых сталей (-2,3% С), высоколегированных хромоникелевых сталей (25-30% Сг и 3-15% Ni).

Современные обжиговые конвейерные машины имеют высокую агрегатную производительность (3 млн. т/год и выше), позволяют регулировать режим обжига, приспособлены к производству различных видов окатышей из любых концентратов, отличаются простотой конструкции.

К недостаткам конвейерных машин следует отнести необходимость применения для изготовления тележек жаропрочных сталей и высокотемпературных дымососов, что усложняет обслуживание машин и

повышает эксплуатационные расходы на получение окатышей. Конвейерные машины характеризуются также повышенным расходом теплоты на процесс (850-1250 МДж/т и выше).

(ширина ленты 4 м):

1,2— зоны сушки; 3 - зона подогрева; 4 — зона обжига; 5 - зона рекуперации; <5-5 - три зоны охлаждения окатышей; 9- бункер - выравниватель температуры окатышей; 10 -бортовое уплотнение;

D - дымососы; цифры у прямых - расход, температура и давление газов

Для обжига окатышей используют также комбинированный агрегат (рис. 1.32) который включает: облегченную конвейерную машину для сушки и подогрева окатышей и трубчатую вращающуюся печь для высокотемпературного обжига.

Низкотемпературные процессы сушки и подогрева протекают на конвейерной машине, высокотемпературные - в футерованной огнеупорами печи. Газы, отходящие из трубчатой печи, просасываются сквозь слой окатышей на колосниковой решетке вначале в зоне подогрева, а затем в зоне сушки, поэтому расход теплоты на процесс сравнительно невелик и составляет 650-920 МДж/т окатышей. Число высокотемпературных дымососов сокращается до 1-2 по сравнению с 3-4 на конвейерной машине. На установке можно поддерживать наиболее высокие температуры обжига.

Недостатками этого агрегата являются настылеобразование в трубчатой печи из-за местных явлений оплавления, применение низкого слоя окатышей на конвейерной машине, увеличение продолжительности обжига, повышенные требования к прочности подогретых окатышей. В нашей стране по такой схеме работает фабрика окомкования Полтавского ГОКа.

На основании опытных данных можно сделать вывод, что показатели производства окатышей в трех типах применяемых обжиговых агрегатов близки. Суммарные эксплуатационные затраты отличаются на величину - 7%.