Агломерация железорудных фракций: повышение эффективности доменной печи

Процесс агломерации железорудных фракций

Агломерационные заводы обычно ассоциируются с производством горячего чугуна в доменных печах интегрированных сталелитейных комбинатов. Процесс агломерации — это, по сути, предварительный технологический этап при производстве чугуна для получения зарядного материала, называемого агломератом (синтером), для доменной печи из железорудных фракций и также из металлургических отходов (собранных пылей, осадков, прокатной чешуи и т.д.).

Технология агломерации изначально разрабатывалась для использования в доменной печи железорудных фракций и железа, присутствующего в металлургических отходах сталелитейного завода. Но сейчас фокус изменился. Сейчас процесс агломерации направлен на производство высококачественного заряда для доменной печи. Сегодня агломерат — основной металлический заряд для большой доменной печи.

Принцип агломерации

Агломерация — термический процесс (проводимый при 1300–1400 °C), которым смесь железных руд (бленд), возврата фракций, переработанных продуктов сталелитейной промышленности (прокатная чешуя, пыли доменных печей и т.д.), шлакообразующих элементов, флюсов и коксовой крошки агломерация на агломерационном заводе для производства агломератированного продукта подходящего химического состава, качества (физического) и гранулометрии для зарядки в доменную печь, обеспечивая таким образом однородную и стабильную работу доменной печи. Перед агломерацией существует важный процесс — грануляция. Грануляция — гомогенизация железорудной смеси в вращающемся барабане с 7–8% воды с целью получения предварительно агломератированного продукта, который затем подается в виде слоя на постоянно движущуюся решетку или ленту для получения агломератированного продукта. Этот процесс играет фундаментальную роль, так как обеспечивает адекватную проницаемость агломерационного слоя и, следовательно, хорошую производительность агломерационной машины.

Гибкость процесса агломерации позволяет перерабатывать разнообразные материалы, включая железорудные фракции, захваченные пыли, рудные концентраты и другие железоносные материалы малой дисперсности (например, прокатную чешую) в клинкероподобный агломерат.

Процесс агломерации включает нагрев предварительно агломератированного продукта для получения полурасплавленной массы, которая затвердевает в пористые куски агломерата с размерными и прочностными характеристиками, необходимыми для зарядки в доменную печь.

Продукт агломерат

Продукт процесса агломерации называется агломератом (ситером). Качественные характеристики хорошего агломерата включают: (1) химический анализ, (2) распределение по размеру зерен, (3) восстановимость, (4) прочность агломерата. Типичные свойства агломерата приведены в табл. 1.

Табл. 1 Типичные свойства агломерата
№	Показатель	Ед.	Значение
1	Химический состав
	Fe	%	56.5–57.5
	FeO	%	6.0–8.0
	SiO₂	%	4.0–5.0
	Al₂O₃	%	1.0–2.5
	CaO	%	7.5–8.5
	MgO	%	1.6–2.0
2	Щелочность (CaO/SiO₂)		1.7–2.9
3	ISO Прочность (+6.3 мм)	%	Более 75
4	Индекс деградации при восстановлении (RDI)	(-3 мм) %	27–31
5	Индекс восстановимости (RI)	(R60) %	55–75
6	Индекс барабанной пробы	(-6.3 мм) %	65–75

Продукт агломерации железной руды показан на рис. 1.

Рис. 1 Железорудный агломерат

Типы агломерата

Агломераты классифицируются на кислый, самофлюсирующий и сверхфлюсированный. Самофлюсирующий агломерат имеет достаточное содержание CaO (извести), необходимое для флюсирования его кислых компонентов (SiO₂, Al₂O₃). Сверхфлюсированный агломерат имеет дополнительное содержание CaO для флюсирования кислых компонентов, вводимых в доменную печь через другие зарядные материалы. В случае самофлюсирующего и сверхфлюсированного агломерата известь снижает температуру плавления агломерационной смеси и при относительно низких температурах (1100–1300 °C) образуются прочные связи в присутствии FeO. Преимущества добавки флюса в агломерат:

• Образование шлака с примесями в железных рудах и твердом топливе, создающее подходящую матрицу для коагуляции частиц.
• Улучшение физических и металлургических свойств агломерата.
• Снижение температуры плавления агломерационной смеси.
• Сокращение/исключение добавки известняка в доменную печь, тем самым экономия топлива, необходимого для реакции кальцинации известняка (CaCO₃ = CaO + CO₂) в доменной печи, следовательно, снижение коксового расхода в доменной печи.

Процесс агломерации

Процесс агломерации начинается с подготовки сырья: железорудных фракций, флюсов, внутризаводских металлургических отходов, топлива и возврата фракций агломерационного завода. Эти материалы смешиваются в вращающемся пеллетизирующем барабане и добавляется вода для достижения правильной агломерации сырьевой смеси. Эта агломерация в виде микропеллет. Эти микропеллеты способствуют получению оптимальной проницаемости в процессе агломерации. Эти микропеллеты затем транспортируются к агломерационной машине и образуют верхний слой зарядной смеси.

Процесс агломерации — непрерывный процесс, основанный на обработке слоя зарядной смеси (рудные фракции, возврат фракций, флюсы и т.д.) в присутствии коксовой крошки под действием горелки, расположенной на поверхности слоя. Таким образом, нагрев происходит от верхних к нижним секциям. Слой зарядной смеси лежит на стрендовой системе, а вытяжная система позволяет всей толщине достичь подходящей температуры для частичного плавления смеси и последующей агломерации.

В машине Двайт-Ллойд агломерационная решетка — непрерывная цепь большой длины и ширины, образованная объединением серии тележек-поддонов, образующих агломерационный стренд (рис. 2). Каждая тележка-поддон проходит под зарядным бункером, где она заряжается сначала материалом крупной гранулометрии (10–20 мм) в слое толщиной 30–60 мм, образующим подстилающий слой, состоящий преимущественно из возврата агломерата. Подстилающий слой защищает стальные решетки от перегрева в процессе агломерации.

Рис. 2 Машина Двайт-Ллойд

Второй слой микропеллет заряжается над подстилающим слоем и выравнивается. Затем тележка-поддон проходит под зажигательной печью, где происходит возгорание на поверхности зарядной смеси. Одновременно смесь подвергается действию всасывающей тяги через агломерационный заряд. Из-за всасывающей тяги воздух втягивается через движущийся слой, вызывая горение топлива.

Тележка-поддон продолжает процесс, и горение прогрессирует в направлении газового потока. Таким образом, процесс агломерации происходит. Горение не происходит одновременно во всей толщине слоя. Наоборот, горение происходит как горизонтальный слой, движущийся вертикально через слой. Толщина этого слоя — малая доля слоя. Проницаемость слоя — требование качества к зарядной смеси, поэтому процесс грануляции зарядной смеси — важный этап для агломерации (проницаемость слоя улучшается за счет грануляции).

В зоне над зоной горения очень горячий агломератированный продукт нагревает воздух, проходящий через этот слой. Таким образом, предварительно нагретой воздух поступает в зону горения. Тепло ранее нагретого воздуха/газов поглощается в этих холодных секциях, вызывая предварительный нагрев заряда и испарение влаги зарядной смеси. В этом контексте достигаются высокие температуры, вызывающие частичное плавление, и происходит процесс агломерации.

Высокая тепловая эффективность обусловлена накоплением тепла в частичном слое зарядной смеси, называемом агломерационной зоной или фронтом пламени. Фронт пламени движется со скоростью 10–30 мм/мин к агломерационной решетке. При высоте слоя около 500 мм процесс обычно занимает около 25 минут. Как только достигнут конец стренда, агломератированный материал разгружается и подвергается охлаждению, дроблению и просеиванию.

Процесс агломерации контролируется «точкой прогорания» (BTP — burn-through point), определяемой как точка, где температура отработавшего газа достигает максимального значения. Это точка, в которой фронт пламени достигает основания дна агломерационного слоя. Скорость агломерационной машины и газовой поток контролируются для обеспечения того, чтобы точка прогорания происходила непосредственно перед разгрузкой агломерата. Определение точки прогорания очень важно для стабилизации процесса и улучшения как качества, так и производительности.

В конце машины агломератированный материал в виде пирога разгружается в горячий агломерат-дробилку. Здесь горячий пирог агломерата дробляется до заданного максимального размера частиц. Отсюда агломерат поступает на агломерат-охладитель, который может быть прямолинейным или круговым. После охладителя агломерат переводится в просеивающий участок, где он обычно делится на три гранулометрические фракции. Первая фракция 0–5 мм — возврат фракций, отправляется в зарядные бункеры. Агломерат с гранулометрией 5–15 мм используется как подстилающий слой в агломерационном стренде. Остаток фракции 5–15 мм, не используемый для подстилающего слоя, смешивается с третьей гранулометрической фракцией размером 15–50 мм и отправляется в доменную печь.

Возврат фракций неизбежно образуется в процессе агломерации и перерабатывается обратно в процесс. Возврат фракций обычно составляет 30–40% железоносных материалов. Возврат фракций от просеивания агломерата немного легче ассимилируется, чем от просеивания доменной печи, из-за более низкого содержания высококальциевого феррита.

Зоны агломерационного слоя

В высоте агломерационного слоя выделяют четыре зоны:

• Холодная и влажная зона — зона агломерационного слоя с температурой ниже 100 °C. Образована зарядной смесью для агломерации, с верхним пределом, насыщенным водой/водяным паром.
• Зона сушки — зона агломерационного слоя с температурами 100–500 °C. Испарение влаги агломерационной смеси и последующая дегидратация гидроксидов происходят в этой зоне.
• Реакционная зона — зона агломерационного слоя с температурой 500 °C (начало зажигания кокса) – 900 °C (начало периода охлаждения). Максимальная температура в этой зоне 1300–1400 °C. Основные процессы: (1) сгорание кокса (экзотермическое), (2) разложение карбонатов (эндотермическое), (3) твердофазные реакции, (4) восстановление и повторное окисление оксидов железа, (5) реакции образования агломератированной массы.
• Зона охлаждения — находится непосредственно после реакционной зоны. Охлаждение и рекристаллизация агломератированного продукта. Существует поверхностная зона, где агломерат более хрупкий, чем в остальном слое.

Управление процессом и экология

Причины флуктуаций процесса агломерации изучались для снижения углеродного потребления, таким образом снижая выбросы CO₂. Частотный анализ заводских данных (температура отработавшего газа в одном ветробоксе, уровень зарядки смеси, влажность смеси) показал, что вариации влажности питательной смеси связаны с флуктуациями температуры отработавшего газа в конкретном ветробоксе. Улучшение управления процессом путем контроля влажности питательной смеси в узкой полосе значений позволяет снизить углеродное потребление и приводит к меньшим выбросам CO₂.

Контур отработавшего газа должен быть полностью герметичным, не допускать всасывания атмосферного воздуха системой. Это приводит к экономии энергии в контуре отработавшего газа. Отработанные газы очищаются от пыли в циклоне, электрофильтре, мокром скруббере или тканевом фильтре. Схема агломерационного завода показана на рис. 3.

Рис. 3 Схема агломерационного завода

Агломерационные машины

Агломерационные машины бывают двух типов: (1) круговые, (2) прямолинейные. Прямолинейные также известны как машины Двайт-Ллойд. Двайт и Ллойд построили первый непрерывный агломерационный завод в 1906 году.

Круговые агломерационные машины обычно подходят для доменных печей с полезным объемом 650 м³ и менее. Основные параметры некоторых круговых машин приведены в табл. 2.

Табл. 2 Основные параметры круговых агломерационных машин
Показатель	Ед.	12 м²	17 м²	25 м²	33 м²
Годовое производство	1000 т/год	172	253	404.5	556
Общая потребность в мощности	кВт	700	1500	1750	2400
Площадь для завода	м²	8000	9000	10000	12000
Площадь для здания	м²	800	3400	35000	3600

Особенности круговых машин:

• По сравнению с прямолинейными машинами капитальные затраты ниже и сроки строительства короче.
• Уплотнение лучше, утечка воздуха меньше, так как ветробоксы движутся синхронно с решетками и используется водяное уплотнение.
• Система разгрузки делает размер холодного агломерата таким, что дополнительная дробилка не нужна.
• Круговые машины обладают высокой операционной гибкостью.

Круговая агломерационная машина показана на рис. 4.

Рис. 4 Круговая агломерационная машина

Прямолинейные машины обычно используются для высокопроизводительных агломерационных заводов. Агломерационные площади таких машин обычно 50 м² и выше. Современные прямолинейные машины устанавливаются с шириной 2–5 м и эффективными агломерационными площадями 200–600 м². Производительность обычно 30–46 т/м²/сутки. Мощности от 190 000 т/год до 6.5 млн т/год. Прямолинейная машина показана на рис. 5.

Рис. 5 Прямолинейная агломерационная машина

Важные вопросы, связанные с агломератом и агломерационными заводами

• Использование агломерата снижает коксовый расход и повышает производительность доменной печи.
• Процесс агломерации позволяет использовать железорудные фракции (0–10 мм), образующиеся при добыче железной руды.
• Процесс агломерации обеспечивает переработку всех железо-, топливо- и флюсосодержащих отходов на сталелитейном заводе.
• Процесс агломерации использует побочные газы сталелитейного завода.
• Агломерат нельзя долго хранить, так как при длительном хранении образуется избыток фракций.
• Агломерат генерирует избыточные фракции/пыль при многократной переработке на агломерационном заводе.