Железорудные пеллеты и пеллетизация: полный обзор технологии и процесса

Введение в железорудные пеллеты и процессы пеллетизации

Пеллетизация — процесс агломерации мелкодисперсных частиц железной руды (менее 200 мейш, 0,074 мм) с добавками (бентонит) в шаровые/овальные пеллеты 8–16 мм диаметром на пеллетизаторе с последующим обжигом топливом. Полученные «равномерные по размеру железорудные пеллеты» заряжаются непосредственно в доменную печь (ДП) или в шахтную печь/роторную печь для производства пряморедуцированного железа (ПРЖ). Внешний вид пеллет показан на Рис. 1.

Рис. 1 Железорудные пеллеты

Типичные свойства железорудных пеллет

Таблица 1 Типичные свойства железорудных пеллет
Показатель	Ед.	Значение	Допуск
Химический анализ (на сухом основании)
Fe	%	65	Мин.
FeO	%	0,3	Макс.
SiO₂ + Al₂O₃	%	5	Макс.
CaO	%	0,03	± 0,01
MgO	%	0,06	± 0,01
Основность	%	65	Макс.
Фосфор	%	0,05	Макс.
Физические свойства
Насыпная плотность	т/м³	2,2	± 0,2
Индекс тумблера	%	93	Мин.
Индекс абразии	%	3	Мин. ± 0,5%
Предел сжатия на холоде (ср.)	кг/пеллета	250	Мин.
Гранулометрический состав
8–16 мм	%	94	Мин.
-5 мм	%	2	Макс.
+16 мм	%	4	Макс.
Металлургические свойства
Пористость	%	18	Мин.
Редуцируемость	%	62	Мин.

Технология процесса

Производство пеллет включает четыре стадии:

1. Подготовка сырья
2. Формирование зеленых шаров/пеллет
3. Обжиг (индурация) пеллет
4. Охлаждение, хранение и транспортировка

Подготовка сырья

Концентрат железа из обогатительного завода сушат и нагревают до ~120 °C. Сухой материал помолют в шаровой мельнице до 80% < 45 мкм (0,045 мм) при влажности ~9%. Добавка связующего (обычно бентонита) и тщательное смешивание в интенсивном миксере.

Формирование зеленых пеллет

Зеленые пеллеты 8–16 мм готовят в барабанном или дисковом пеллетизаторе. Дисковый предпочтителен для качественных пеллет: легкость управления, компактность. Диск диаметром 5–7,5 м, наклон 45° (регулируется 45–49°), скорость 6–8 об/мин.

Предвлажненная смесь подается на диск с контролируемой скоростью. При вращении материал коагулируется, образуя нодулы/пеллеты. Мелкие гранулы (семена) растут за счет наложения свежего корма и столкновений. По мере роста пеллеты мигрируют к краю и пересыпаются через обод. Рост контролируется водяным распылением и скоростью вращения. Полученные пеллеты называются «зелеными» — у них еще нет требуемой прочности. После грохочения на валковом грохоте нужная фракция идет на подвижную решетку пеллетизационной машины.

Силами поверхностного натяжения воды, капиллярными силами и гравитацией в барабане частицы коагулируются в ядра, растут в шары. При контакте с водой поверхность смачивается, образуются жидкие мостики, связывающие частицы. Далее капиллярные силы уплотняют агломераты. Оптимум — когда все поры заполнены жидкостью. Родание зерен и их смещение также важны.

Индурация (обжиг)

Тепловое упрочнение зеленых пеллет включает три этапа:

1. Сушка (180–350 °C) — удаление влаги (поверхностной, межчастичной, химически связанной — гоэтит, лимонит).
2. Предварительный нагрев (500–1100 °C) — декомпозиция карбонатов и гидратов, газификация твердого топлива (уголь, кокс), превращение оксидов железа (гоэтит, сидерит, магнетит) в гематит. Начало твердофазного связывания и роста зерен.
3. Обжиг (1250–1340 °C) — температура ниже плавления основной оксидной фазы, но в зоне реактивности примесей и добавок. Формирование оксидных и шлаковых связей.

Связывание минеральных зерен определяется тремя факторами: твердофазное оксидное связывание (окисление Fe²⁺ → Fe³⁺), рекристаллизация оксидов железа (консолидация мелких частиц в крупные с потерей поверхностной энергии, рост кристаллов гематита с ~1100 °C), шлаковое связывание (глухой шлак как переносная среда для оксидов, снижает температуру процесса).

Во время индурации происходят химические реакции, меняющие металлургические свойства: окисление магнетита, обезвоживание гематита. Для ДП-пеллет в заряд вносят флюсы (известковец, доломит, кварц) для улучшения свойств в последующих этапах.

Охлаждение и обработка пеллет

После обжига пеллеты охлаждают и грохочут. Крупные дробят и вместе с мелкой фракцией возвращают в бункеры для переработки. Охлажденные пеллеты уходят на хранение и перевозку к потребителям.

Процессы пеллетизации

Существует несколько технологий: шахтная печь, прямой подвижный грейтер (Straight Travelling Grate — STG), грейтер-печь (Grate Kiln — GK), цементно-связывающие (Grangcold, MIS Grangcold, char), гидротермические (COBO, MTU, INDESCO). Наиболее распространены STG и GK.

Процесс прямого подвижного грейтера (STG)

Разработан бывшей Lurgi Metallurgie, занимает основную долю мировой установленной мощности. Двухдечный валковый грохот обеспечивает равномерное распределение зеленых пеллет (8–16 мм) по ширине грейтера. Грейтер переносит слой 300–550 мм через печь с зонами: восходящая сушка, нисходящая сушка, преднагрев, обжиг, послеобжиг, нагрев. Схема процесса — Рис. 2.

Рис. 2 Схема процесса прямого подвижного грейтера

Процесс грейтер-печь (GK)

Разработан бывшей Allis Chalmers, первый завод 1960 г. На подвижном грейтере пеллеты сушат и нагревают до 800–1000 °C, затем переносят в огнеупорную роторную печь для обжига при 1250–1300 °C. При 800 °C FeO магнетита экзотермически окисляется в Fe₂O₃, выделенное тепло упрочняет зеленые шары для выдержки барабанной печи. Охлаждение в кольцевом охладителе. Схема — Рис. 3.

Рис. 3 Схема процесса грейтер-печь

Сравнение STG и GK

Таблица 2 Сравнение процессов STG и GK
№	Прямой подвижный грейтер (STG)	Грейтер-печь (GK)
1	Сушка, преднагрев, обжиг, охлаждение в одном агрегате	Цикл в разных агрегатах
2	Зеленые пеллеты неподвижны в процессе	Перенос пеллет между тремя агрегатами: грейтер, роторная печь, кольцевой охладитель
3	Грейтер движется с одинаковой скоростью во всех зонах; сбой в одной влияет на другие	Независимое управление тремя зонами — лучшая операционная гибкость
4	Минимальное образование пыли (нет пересыпки)	Высокая генерация пыли при множественных пересыпках
5	Нет требований к прочности промежуточного продукта	Перед загрузкой в печь зеленые пеллеты должны быть достаточно прочными
6	Выше коэффициент готовности процесса	Ниже коэффициент готовности
7	Большее удельное потребление энергии	Меньшее удельное потребление энергии
8	Меньшее обслуживание	Большее обслуживание
9	Меньшее пылеобразование	Большее пылеобразование
10	Выше капитальные затраты	Ниже капитальные затраты
11	Подходит для гематита и магнетита	Более приспособлен для магнетита

Сравнение температурных профилей — Рис. 4.

Рис. 4 Сравнение температурного распределения в двух процессах

Преимущества пеллет

• Агломерированная мелкая фракция с лучшим индексом тумблера, чем у руды; замена агломерата/лумп-руды в ДП и ПРЖ.

Хорошая редуцируемость за счет высокой пористости (25–30%). Пеллеты редуцируются быстрее агломерата и лумп-руды. Высокая пористость улучшает металлизацию при ПРЖ.

• Равномерный размер 8–16 мм.
• Сферическая форма и открытые поры — хорошая проницаемость заряда.
• Низкий угол естественного укладывания (недостаток — неравномерное распределение связующего).
• Единообразный химический состав (контролируется на обогащении). Fe 63–68% в зависимости от руды. Отсутствие потерь на обжиг (LOI).
• Высокая и равномерная механическая прочность — транспортировка на большие расстояния без пылеобразования, устойчивость к распаду, в т.ч. под термическим напряжением в восстановительной атмосфере.