Оптимизация работы доменной печи с использованием железорудных пеллет

Использование железорудных пеллет в загрузке доменной печи

Пеллетизация — процесс смешивания очень мелко помолотых частиц железорудных концентратов размера менее 200 мesh с добавками (бентонит) и формование в овальные/сферические куски 8–20 мм диаметром на пеллеттере с последующим обжигом топливом. Это процесс превращения железорудных концентратов в «равномерные по размеру железорудные пеллеты», которые можно заряжать прямо в доменную печь. На рис. 1 показаны железорудные пеллеты.

Существует несколько технологий пеллетизации. Сейчас более популярны процессы на прямой подвижной решетке (STG) и решетка-печь (GK).

Физические свойства железорудных пеллет

• Размер — 8–20 мм
• pH (40 г/л, 20 °C; суспензия в воде) — 5,0–8,0
• Температура плавления — 1500–1600 °C
• Насыпная плотность — 2,0–2,2 т/м³
• Индекс кучения (+6,3 мм) — 93–94%
• Абразивный индекс (–0,5 мм) — 5–6%
• Предел сжатия (даН/шт) — около 250
• Пористость — >18%

Химический анализ пеллет

Химический состав пеллет (марки BF и DRI)

Показатель	BF марка	DRI марка
Fe, %	63–65,5	65–67,8
SiO₂ + Al₂O₃, %	<5	<5
CaO + MgO, %	До 3	До 0,10
P, макс %	0,05	0,05
S, макс %	0,01	0,01
Основность, мин %	0,5	—
Дезинтеграция (–3,15 мм), %	2	—
Индекс пенистости, %	13–18	—
Восстановимость, %	65	—

Различные ISO-испытания для пеллет даны в табл. 1.

Табл. 1 ISO-испытания для пеллет ДП

ISO стандарт	Измеряемые значения	Назначение
ISO 4700 / Прочность на сжатие	даН	Холодная прочность пеллет
ISO 3271 / Прочность на кучение	Фракции +6,3 мм и –0,5 мм	Склонность к абразии
ISO 13930 / Низкотемпературное восстановление-дезинтеграция	Фракции +6,3, –3,15 и –0,5 мм	Склонность к низкотемпературной деградации
ISO 4698 / Свободное пенистость	Объем %	Склонность к пенистости
ISO 4695 / Восстановимость	Скорость восстановления при 40% восстановлении	Восстановимость
ISO 7992 / Восстановление под нагрузкой	1. Скорость восстановления при 40%	Восстановимость, размокание/плавление
	2. Потеря давления при 80%
	3. Усадка слоя при 80%

Качество пеллет влияет природа руды/концентрата, сопутствующий гангуз, тип и количество добавленных флюсов. Эти факторы вызывают вариацию физико-химических свойств сосуществующих фаз и их распределения при обжиге пеллет. Следовательно, свойства пеллет в значительной степени определяются формой и степенью связывания между частицами руды и стабильностью этих связующих фаз при восстановлении оксидов железа в ДП. Поскольку формирование фаз и микроструктуры при обжиге зависит от типа и количества флюсов, флюсирующие добавки (отношение CaO/SiO₂ и содержание MgO) влияют на качество пеллет.

История использования железорудных пеллет в доменной печи

История пеллет началась в 1912 г., когда швед А.Г. Андерссон изобрел метод пеллетизации.

Коммерческое использование пеллет началось в США после ВОВ. Проводились исследования для разработки огромных запасов таконита в районе Великих озер. В 1943 г. проф. Дэвис (Университет Миннесоты) изобрел метод обработки таконита с низким содержанием железа: помол для удаления гангуза и обогащение железа (бенификация). Полученная высококачественная руда — мелкодисперсные частицы ≤0,1 мм, непригодные для агломерации. Это привело к разработке пеллетизации этих частиц. Сегодня пеллетные заводы играют важную роль в эпоху сокращения мировых запасов высококачественной кусковой руды. Заводы способствуют концентрировке низкокачественной руды в обогащенные пеллеты, все чаще используемые в ДП и шахтных печах прямого восстановления.

Железное дело США исторически опиралось на пеллеты, так как все местные руды требовали бенификации (помол до <0,1 мм и агломерацию в пеллеты), а также из-за экологических причин не использовали агломерационные заводы.

Железорудные пеллеты теперь крупнейший источник железа для североамериканских ДП. Пеллеты составляют ~70% загрузки ДП. Изначально производили и использовали кислые пеллеты (марки DRI).

В середине 1980-х провели ряд испытаний пеллетных заводов и ДП для оценки преимуществ флюсированных пеллет с известняком и доломитом. К концу десятилетия флюсированные пеллеты твердо закрепились как основной продукт, ~30% производства пеллет Северной Америки.

Переход на флюсированные пеллеты требовал изменений в оборудовании (мельницы для флюсов, предварительные горелки) и практике. Каждый завод индивидуализировал химию флюсированных пеллет под операцию ДП клиента. В результате есть заводы, производящие до четырех марок пеллет. В Северной Америке пеллеты превратились из товара начала 1970-х в на заказ продукт 1990-х, удовлетворяющий самые требовательные спецификации клиентов. Североамериканские флюсированные пеллеты теперь равны лучшему агломерату по восстановимости и свойствам размокания/плавления и превосходят по прочности и низкотемпературной разрушаемости (LTD/RDI).

Преимущества пеллет

Железорудные пеллеты могут заменять агломерат и калиброванную кусковую руду в загрузке ДП благодаря свойствам:

• Сферическая форма и открытые поры дают лучшую и равномерную проницаемость, обеспечивая плавную работу печи. Пеллеты имеют равномерный размерный диапазон 8–20 мм.
• Очень высокая холодная предел прочности на сжатие — пренебрежимое образование мелкой фракции в сырьевом дворе.
• Высокая пористость (>18%) ведет к более быстрому восстановлению.
• Высокая прочность пеллет (~250 даН/шт) дает хорошую устойчивость к дезинтеграции при спуске загрузки. Лучший индекс кучения по сравнению с калиброванной рудой.
• Равномерный химический состав по сравнению с калиброванной кусковой рудой. Отсутствие потери на обжиг (LOI) — еще одно преимущество.

Индекс пенистости пеллет — важное металлургическое свойство. Пенистость показывает изменение объема пеллет при восстановлении. Объемное расширение при восстановлении снижает предел прочности на сжатие. Высокая пенистость внутри печи увеличивает объем пеллет, уменьшает пустоты в загрузке. Это препятствует газовому течению, вызывает перепад давления, ведет к подвесам и пробойкам загрузки. Добавление доломита благоприятно для улучшения пенистости. Максимально допустимая пенистость пеллет для ДП — 16–18%. Кислые пеллеты (DRI) и пеллеты без MgO демонстрируют более высокую пенистость.

Флюсированные пеллеты могут быть произведены эквивалентными лучшему агломерату по восстановимости и размоканию/плавлению и превосходящими по прочности и низкотемпературной разрушаемости (LTD/RDI). Флюсированные пеллеты показывают хорошую прочность, улучшенную восстановимость, пенистость и характеристики размокания/плавления. Благодаря этим свойствам флюсированные пеллеты дают лучшую работу в ДП.

Металлические материалы в загрузке ДП

Агломерат, пеллеты и калиброванная кусковая руда — три основных железоносных металлика в загрузке ДП. Использование всех трех может варьироваться от 0 до 100% с корректировкой параметров печи. Можно использовать любые комбинации двух или трех металликов. Нет стандартной формулы выбора. Выбор зависит от множества факторов, варьирующихся от завода к заводу. Некоторые факторы:

• Наличие металлика нужной спецификации;
• Металлургические свойства: восстановимость, термическая декрипитация, свойства размокания;
• Относительная стоимость металлика;
• Влияние использования металлика на общую себестоимость горячего чугуна;
• Возможность корректировки параметров печи: схема распределения, коксозатраты;
• Возможность корректировки параметров процессного управления;
• Наличие оборудования в сырьевом дворе;
• Наличие собственного агломерационного завода;
• Тип железной руды в собственном месторождении или рядом с ДП;
• Проблемы плавной работы ДП без подвесов и пробойков;
• Экологические вопросы.

Пеллеты в ДП можно использовать от 0% до 100%. Нет стандартного решения для увеличения доли пеллет в загрузке. Каждая локация и каждая печь имеют свои проблемы, которые нужно выявить, проанализировать и найти решения для максимально возможного содержания пеллет. Цель всегда — безаварийная работа ДП при минимально возможной себестоимости горячего чугуна.