Производство металлизованных окатышей по классификации А. Н. Похвиснева [48] относится к группе процессов получения губчатого железа с восстановлением металлов из окислов при уме­ренных температурах и выдачей готового продукта в твердом со­стоянии. Температура восстанавливаемого материала в большин­стве способов получения губчатого железа не может быть выше температур его размягчения в восстановительной атмосфере, рав­ной 1050—1150° С. Однако при температурах ниже 900° С скорость восстановления значительно замедляется. Поэтому рабочая тем­пература процесса должна быть в интервале 950—1050° С.

Получение металлизованных окатышей с применением в каче­стве восстановителя твердого топлива осуществляется двумя спо­собами:

тонкоизмельченное топливо смешивают с железорудным концен­тратом и из смеси получают рудно-топливные окатыши, подвергае­мые восстановлению;

окомковывается шихта без топлива и окатыши восстанавли­ваются в слое твердого топлива.

Сырые рудно-топливные окатыши производятся по обычной технологии окомкования. Однако вследствие большой влагоемко - сти тонкомолотого топлива влажность шихты для производства рудно-топливных окатышей должна быть на 2—4% выше, чем для получения рудных окатышей из того же концентрата. Обычно влажность шихты составляет 12—16%. Прочность на раздавлива­ние сырых рудно-топливных окатышей, содержащих до 20% угля, близка к прочности окатышей без топлива й достаточна для за­грузки без разрушения на конвейерные обжиговые машины [76].

Процесс восстановления может быть охарактеризован количе­ственно степенью металлизации и степенью восстановления по кис-

лороду ш = _Е£ш_.100,

Р^общ

где (о и р — соответственно степени металлизации и восста­новления, %;

FeMeT и Ре0бщ — содержание металлического и общего железа в восстановленных окатышах, %;

СЬисх и О; (в)— соответственно количество кислорода окислов железа в исходных и восстановленных окаты­шах, %.

В результате проведенных опытов восстановления окатышей, содержащих 50 и 49,49% железа и 17,57 и 18,61% углерода, уста­новлено [30], что процесс восстановления протекает в три стадии

Fe203 -і - Fe304 Д - FeO -- Fe.

Средний состав отходящих из рудно-угольных окатышей газов, рассчитанный по балансу кислорода и углерода, близок к чистой окиси углерода, которая может предохранить окатыши от повтор­ного окисления при обжиге их в слое прососом дымовых газов.

Для получения достаточно высокой степени металлизации (60— 80%) минимальное отношение С : Fe в шихте должно составлять около 0,26—0,27, причем изменение реакционной способности топ­лива в широких пределах мало влияет на конечную степень метал­лизации окатышей [30, 61]. Для достижения максимальной ско­рости восстановления температура на поверхности окатышей должна быть около 1200—1250° С. Время восстановления окатыша т l[30] до степени восстановления 90% может быть определено по формуле

(D-5) +

где t — температура восстановления, ° С;

D —диаметр окатыша, мм;

К — константа скорости реакции, определяемая из уравне­ния;

— 4900

11,73 в г,

е — основание натуральных логарифмов;

Т — абсолютная температура.

С учетом условий формирования сырых окатышей, их упрочне­ния и необходимости сокращения времени восстановления размер окатышей должен составлять 10—16 мм.

Добавка небольшого количества известняка (до 10%) к шихте рудно-топливных окатышей при избытке углерода (16—20% в шихте) приводит к повышению степени металлизации, так как окислы щелочных металлов облегчают адсорбционно-каталитиче­ский процесс восстановления, а выделяющаяся при разложении карбонатов двуокись углерода реагирует с топливом, увеличивая количество газообразного восстановителя. Увеличение содержания известняка до 15—20% приводит к снижению степени металлиза­

ции, так как положительное влияние щелочных добавок не ком­пенсирует отрицательного влияния газовой фазы в результате обо­гащения ее углекислотой. Кроме того, скорость восстановления снижается вследствие дополнительных затрат тепла на разложе­ние флюса. Этот недостаток может быть устранен при получении

двухслойных окатышей, у кото­рых ядро состоит из концентрата, флюса и топлива или из флюса и топлива, а наружная оболочка из концентрата [61].

При производстве рудно-топ­ливных окатышей восстановите­лем могут служить любые виды дешевого твердого топлива. Так как степень десульфурации при восстановлении рудно-топливных окатышей не превышает 10—30% [6], содержание серы в твердом топливе должно быть по возмож­ности минимальным.

При высокотемпературном об­жиге (1200° С) прочность рудно­топливных окатышей достигает 150 кГ/окатыш в результате об­разования металлического кар­каса.

Для восстановления рудно­топливных окатышей исполь­зуется конвейерная колосниковая машина, обеспечивающая доста­точно быстрый нагрев. В случае оплавления окатышей выгрузка их из машины менее затруднена* чем из шахтных или трубчатых печей>

Степень металлизации окатышей зависит от окислительного воздействия дымовых газов, просасываемых сквозь слой. При осу­ществлении процесса металлизации рудно-топливных окатышей на конвейерной машине необходима тщательная герметизация маши­ны во избежание подсоса воздуха и разбавления кислородом ды­мовых газов над слоем окатышей.

Схема зарубежной установки с конвейерной машиной пло­щадью 3 м2 показана на рис. 51. Степень восстановления окатышей на этой установке, рассчитанная по потере кислорода, составляет 50—60%, а степень металлизации 25—30%. В процессе обжига из окатышей удаляется до 30—40% серы, 90—95% летучих, содержа­щихся в топливе и 70—80% углекислоты флюса. Восстановленные горячие окатыши поступают в рудно-термическую электропечь,
производительность которой в данном случае возрастает вдвое при одновременном снижении расхода электроэнергии с 1900—2500 до 900—1100 квт-ч/т и расхода электродов примерно на 50% [48].

Более глубокое, чем на конвейерной машине, восстановление (около 95%) железорудных окатышей достигается в пересыпаю­щемся слое твердого топлива в трубчатых вращающихся печах.

Для предотвращения загрязнения металлического железа серой в трубчатую печь вместе с окатышами и твердым топливом загру­жают десульфуратор — мелкий известняк или доломит. Нагрев материала осуществляется торцовой горелкой, установленной в разгрузочном торце печи. Вдуванием воздуха через сопла, установ­ленные на кожухе печи, осуществляется дожигание продуктов го­рения торцовой горелки и газообразных продуктов восстановления, выходящих из слоя. Это позволяет нагреть шихту до необходимой температуры и поддерживать ее в зоне восстановления. Опасность размягчения и спекания материалов ограничивает температуру их нагрева (1000—1100°С). Выгружаемый из печи продукт, состоя­щий из металлизованных окатышей, избыточного топлива, золы топлива и флюса-десульфуратора, поступает в охладитель. Охлаж­дение обычно производится в барабане водой, расход которой ре­гулируется с таким расчетом, чтобы материал на выходе из бара­бана был сухим для последующего грохочения, предусматриваю­щего отсев топлива, золы и флюса от металлизованного продукта.

Анализом проб газа в слое шихты и в надслоевом простран­стве на различных участках по длине печи установлено, что внут­ри слоя поддерживается восстановительная, а над слоем окисли­тельная атмосфера (рис. 52). Выходящий из слоя газ с повышен­ным содержанием окиси углерода предохраняет шихту от окисле­ния газами, находящимися в свободном пространстве печи.

Содержание в газовой атмосфере внутри слоя до 5% азота свидетельствует о проникновении в слой продуктов горения. Оно усиливается к концу процесса восстановления, сопровождающегося значительным уменьшением количества газифицируемого кисло­рода, окислов железа и образующихся в слое углекислоты и окиси углерода. Сильное вторичное окисление возможно устранить толь­ко избытком топлива — восстановителя. Процесс необходимо вести так, чтобы максимум содержащихся в газе СО + С02 располагался в печи ближе к разгрузочному концу. При использовании коксовой мелочи крупностью —3 мм содержание твердого углерода в вы­гружаемом из печи материале должно быть не менее 5%. В про­тивном случае снижается степень металлизации, происходит сли­пание губчатого железа и образование настылей на стенках печи. Содержание углерода в выгружаемом продукте 10% обеспечивает­ся добавкой коксовой мелочи в количестве 50—60% веса окаты­шей. Более высокий расход восстановителя не увеличивает степень металлизации и приводит к ухудшению использования объема печи. При крупности коксика —12 мм необходим больший его из­быток, чем при использовании коксика крупностью —3 мм. Если

применяется кокс крупностью 10—20 мм, то шихта расслаивается, образуются настыли на стенках печи и уменьшается степень вос­становления. При использовании коксика высокая степень восста­новления (97—98%) достигается при 1050°С. Добавки коксика из

бурого угля позволяют при этой же степени металлизации умень­шить температуру восстановления до 1000° С вследствие его боль­шей реакционной способности. Технически и экономически выгодней применять восстановители с высокой реакционной способностью, например каменноугольный или буроугольный полукокс, так как. при этом можно снизить рабочую температуру в печи или увели­чить производительность при равной температуре [83, 84, 93].

При загрузке в печь вместе с окатышами восстановителей, со­держащих значительное количество летучих, последние лишь час­тично могут быть использованы для восстановления, так как ос­новная часть их выделяется при нагреве шихты, т. е. до начала процесса восстановления. Восстановитель с большим количеством

летучих наиболее целесообразно подавать в печь — непосредствен­но в зону восстановления. Выделяющиеся из слоя и не использо­ванные на восстановление летучие вещества можно дожигать пе­риферийными горелками, работающими при достаточно высоком коэффициенте избытка воздуха, что позволяет уменьшить расход топлива на обогрев печи:

Физико-химические свойства исходных окатышей в значитель­ной мере определяют свойства получаемого продукта. Опытным путем установлено, что истираемость и разрушение окатышей в результате восстановления тем больше, чем меньше содержание пустой породы в применяемом концентрате, т. е. чем меньше содер­жание шлаковой связки зерен. Окатыши из магнетитового концен­трата, содержащего 67,4% железа, имели прочность при диаметре 15 мм 420 кГ/окатыш. После восстановления в них образовалось 18% мелочи 5—0 мм. Окатыши, содержащие 63,8 и 66,4% железа и имеющие прочность 220—230 кГ/окатыш, после аналогичной операции имели только 8—10% мелочи 5—0 мм. В области мак-

симального содержания двухвалентного железа и начала метал- лообразования обнаруживается минимальная прочность окатышей (рис. 53), которая соответствует зоне восстановления магнетита до д, вюстита. Значительное сниже­

ние прочности окатышей в на­чальной стадии восстановле­ния позволяет применять для металлизации нс только мак­симально упрочненные, но так­же сырые окатыши или менее упрочненные, чем для домен­ного передела. Однако такие окатыши не должны разру­шаться во время загрузки и пребывания в печи, так как наличие пыли быстро приводит к образованию настылей.

С уменьшением крупности окатышей степень их восста­новления вначале увеличи­вается, достигая максимума при среднем размере около 10 мм, затем снижается. Со­держание серы в губчатом же­лезе увеличивается с уменьше­нием размера окатышей. Сера вносится в основном восстано­вителем. При нагреве и восста­новлении материала она по­глощается восстановленным железом, появляющимся пер­воначально, главным образом, в мелких фракциях. В готовом продукте содержание серы мо­жет доходить до 1%, однако его можно уменьшить до 0,02— 0,06%, если в шихту вводить известняк или доломит круп­ностью 1—3 мм с минималь­ным количеством мелких фрак­ций. Мелкие частицы флюса, насыщенные серой, легко спе­каются с золой топлива и пылью и могут прилипать к поверхности восстановленного материала, загрязняя его серой. Более крупные частицы флюса менее интенсивно поглощают серу. Эю видно из результатов хи-

мического анализа по фракциям доломита, выгружаемого из печи, на серу:

Крупность доломита, мм.............................................. 2,5 1,25 0,64

Содержание серы, %..................................................... 2,5 3,2 5,12

Обожженную известь в печь загружать нецелесообразно, так как это приводит к образованию большого количества пылеватых фракций. Для получения железной губки с содержанием серы 0,03—0,06% достаточен расход известняка или доломита в коли­честве 6% веса окатышей (рис. 54). В некоторых случаях десуль - фуратор загружают в разгрузочный конец печи, где восстановление железа в основном уже закончено [93]. Крупные окатыши легче разрушаются при восстановлении, чем мелкие. Восстановление окатышей крупностью 5—30 мм твердым топливом во вращаю­щейся печи обеспечивает высокую степень металлизации (до 95%) и достаточно низкое содержание серы в губчатом железе [83, 93]. Отсев мелочи, особенно пыли, из загружаемого в печь материала позволяет поддерживать температуру газов всего на 15—20° С ниже температуры начала спекания без образования настылей и спеченных масс.

Скорость вращения печи и угол наклона ее оказывают влияние на процесс восстановления. При увеличении скорости вращения печи в единицу времени большая доля частиц материала попадает на поверхность шихты. Это способствует ускорению нагрева и улучшению контакта частиц шихты с печной атмосферой. Если она окислительная, то степень восстановления окатышей снижается. Поэтому при большой производительности трубчатые печи должны иметь возможно меньшую скорость вращения и достаточный для транспортирования материала угол наклона. Продолжительность пребывания шихты в отдельных зонах увеличивается по мере при­ближения к разгрузочному концу печи.

Способ получения металлизованных окатышей в пересыпаю­щемся слое освоен за рубежом в опытно-промышленном и про­мышленном масштабах. На опытно-промышленной установке (рис. 55) в Канаде печь имеет длину 35 м, диаметр 2,28 м. Ско­рость вращения печи регулируется в широких пределах. Перед за­грузкой в печь на восстановление из окатышей удаляются фрак­ции + 16 и —6 мм и из доломита — фракции +3,2 и —0,8 мм. Из печи материалы выгружаются по футерованному шамотным кир­пичом желобу в барабанный охладитель длиной 20 м и диаметром 1,52 му где они охлаждаются с 1100 до 65° С. Футеровка в охлади­теле имеется только на головном участке длиной 8,5 м. Кожух нефутерованного участка охлаждается водой. Угол наклона печи и охладителя составляет 2°. После охлаждения материалы сорти­руются на ситах и на двух магнитных сепараторах. При этом по­лучают кусковое губчатое железо ( + 5 мм), мелочь губчатого же­леза (—5 мм) и немагнитную смесь флюса и топлива. На установ­ке были достигнуты следующие показатели:

Зависимости между показателями работы печи приведены на рис. 56, материальный и тепловой балансы процесса восстановле­ния — в табл. 20 и 21.

Металлизованные окатыши имеют пористость 50—60% и объ­емный вес 1,6—1,8 t/mz. Окатыши (особенно мелочь), предназна­ченные для использования в сталеплавильных печах, необходимо брикетировать.

Фирмой «Крупп» (ФРГ) проведены исследования металлизации железорудного сырья в промышленной вращающейся печи длиной ПО м и диаметром 4,6 м. По длине печи установлено 11 горелок под углом 120° по отношению друг к другу. Горелки, изготовлен­ные из жароупорной хромистой стали, имеют диаметр в свету 200 мм - и толщину стенки 30 мм. Каждая горелка оборудована вентилятором производительностью свыше 600 нм*/ч. Горелки по­зволяют подавать воздух вдоль оси печи против направления дви-
женин материала. Известняк для обессеривания вводится на рас­стоянии 17 м от разгрузочного конца печи через специальное уст­ройство, состоящее из двух труб, доходящих почти до оси враще­ния печи и подающих десульфуратор из бункера, установленного

Рис. 56. Зависимости между основными показателями работы опытно-промышлен­ной установки СЛ (Канада) по металли­зации окатышей твердым топливом: / — на 1 т металлического железа: 2 — на 1 т ме - таллизованных окатышей

под печью. Максимальный расход воздуха на торцовую горелку (в разгрузочном конце печи) работающую на коксовом газе, со­ставляет около 5000 нм3/ч. Полученные продукты из печи посту­пают по водоохлаждаемой наклонной трубе в горизонтальные бара­банный охладитель длиной 14 м и диаметром 1,8 м, в котором их поливают таким количеством воды, чтобы при охлаждении мате­риалы оставались сухими и не происходило вторичного окисления. При этом расход воды должен измеряться очень точно, чтобы пре-

Таблица 20 Материальный баланс процесса восстановления окатышей во вращающейся печи твердым восстановителем Единица измерения Статьи баланса кг/m металлизо - ванных окатышей % кг/m Fe металли­ческого Приход Обожжонные окатыши (66,596 Fe)............................................... 1240,0 27,0 1430,0 Антрацит (10,496 Н20; 80,9% Скелет в сухом) ........................... 519,0(366 кг/С) 11,5 600,0 (423 кг/С) Доломит......................................... 39,6 0,9 45,6 Воздух 2050 м3 ............................. 2650,0 59,0 3060,0 Природный газ 92,5 м3 .... 72,0 1.6 83,2 Расход Металлизованные окатыши (91,1% Fe, степень металли­зации 95%)........................................... 1000 (866 кг Ремет) 22,1 1154,0 Немагнитные материалы (73,4 % Оіелет) .............................................. • • • 246 (180 кг/ С) 5,4 284,0 (208 кг! С) Отходящие газы 2690 м3 ... 3263,6 72,3 3768,1 ' Вынос пыли, кг............................................. 11,0 0,2 12,7 Всего. . . 4520,6 100,0 5218,8

Таблица 21 Тепловой баланс процесса восстановления окатышей в трубчатой печи антрацитом Статьи баланса Единица измерения ккал/т металли - зованных окаты­шей хю* % ккал/т FeMeT> ХЮ Приход Антрацит....................................... 2,35 72,7 2,71 Природный газ.............................. 0,88 27,3 1,027 Расход Восстановление окислов.... 1,70 52,6 1,975 Отходящие газы........................... 0,61 18,9 0,705 Твердые продукты....................... 0,31 9,5 0,353 Испарение влаги........................... 0,04 1,3 0,044 Разложение доломита................... 0,01 0,5 0,011 Теплотворность отходящих газов 0,06 2,1 0,077 Потери........................................... 0,5 15,1 0,57 Всего... 3,23 100,0 3,737

дотвратить гидратацию и разрушение извести. В случае гашения извести повышается содержание серы в металлизованных окаты­шах, так как сернистые соединения налипают на их поверхность.

Результаты опытов по металлизации окатышей в трубчатой печи длиной 14 м и диаметром 1,2 л в основном подтвердились на

а 6

Рис. 57. Материальный и тепловой балансы трубчатой печи 4,6X110 м при восстановлении железной руды, со­держащей 68,4% Fe (удельная производительность печи 0,45 т/м3-сутки по исходной руде): а — материальный баланс; / — вода 5,6%; 2 — кислород 17,2%; 3 — газифицированный углерод 19,1%; 4 — металлизованный продукт

42,8%; 5 — обогащение; 6 — пыль 0,8%; 7 — смесь антрацита и из­вести 12,8%; 8 — известняк 3,7%; 9 — печные продукты; 10 — труб­чатая печь; // — исходный материал 64,1%; 12 — антрацит 32,2%;

13— шихта 100%; 14 — отходящие газы; б—тепловой баланс (не­обходимое количество тепла 3.6 • 10е ккал[т металлизованного про­дукта): / — антрацит 82,6%; 2 — коксовый газ 17,4%; 3 — испарение влаги 4,4%; 4 — разложение известняка 0,8%; 5 — потери 5,2%; 6 — твердые продукты 7,4%; 7 — невязка 6,1%; 8 — химический недожог 5,8%; 9 — теплосодержание отходящего газа 24,8%; 10 — восстанов­ление окислов 45,5%

промышленной трубчатой печи размером 4,6X110 м. Материаль­ный и тепловой балансы трубчатой печи приведены на рис. 57.

С повышением производительности печи увеличивается расход газа на ее обогрев и температура отходящих газов (рис. 58). Опыты, проведенные с предварительным подогревом шихты в шахтном подогревателе, находящимся перед вращающейся печью (отходящие из печи газы дважды пропускались сквозь движущую­ся сверху вниз руду или окатыши) показали, что расход тепла на процесс сокращается с 3,6-106 до 3*106 ккал/т металлизованного продукта при степени его восстановления 95%. Производитель-

иость трубчатой печи, используемой только для восстановления (т. е. с предварительным нагревом шихты отходящими газами), увеличивается более чем на 50%.

Рис. 58. Зависимость степени восста­новления, температуры отходящих газов и расхода коксового газа от удельной производительности печи по исходному материалу