Железорудные пеллеты: производственный процесс и ключевые технологии

Пеллетизация железной руды: история и основные процессы

Пеллетизация железной руды началась в 1950-х для использования мелкодисперсных рудных концентратов в сталеварении. Два основных процесса: прямой движущийся решетчатый транспортер (STG — Straight Travelling Grate) и решетчатый транспортер с вращательной печью (GK — Grate Kiln).

• STG: стационарный слой пеллет транспортируется бесконечным движущимся решетчатым транспортером через зоны сушки, окисления, спекания и охлаждения.
• GK: сушка и основная оксидация в стационарном слое на движущемся решетке. Затем пеллеты загружаются в вращательную печь для спекания, потом на кольцевой охладитель для охлаждения.

Подробное описание процессов — в статье по ссылке https://www.ispatguru.com/iron-ore-pellets-and-pelletizing-processes/.

Типы пеллет: кислые и флюсированные

• Кислые пеллеты: основность <0,1. Прочность обожженных пеллет — за счет гематитовых мостиков поликристаллической структуры. Большой объем открытых пор. Редукционный газ быстро проникает в ядро, атакуя структуру во многих местах → раннее структурное изменение при низких температурах по всему объему.
• Флюсированные (основные) пеллеты: основность >0,1, варьируется. Нормальные основные: основность 0,1–0,6, низкий CaO. При обжиге образуется стекловидная шлаковая фаза (SiO₂, CaO, Fe₂O₃). Повышенный флюс → шлаковая связь с кристаллами руды. Высокосновные (основность >0,6): больше CaO. Кроме стекловидной фазы — кальций ферриты (CaO·Fe₂O₃). CaO способствует росту кристаллов гематита. Высокая механическая прочность после обжига.

Структура пеллетного завода и основные стадии

Пеллетные заводы обычно интегрированы с обогатительными. Если нет — концентрат в виде суспензии перекачивают рудопроводами. Заводы на богатых мелких рудах редки и малоэкономичны. Весь процесс делится на два сегмента: (1) холодные подпроцессы, (2) горячие подпроцессы.

Холодные подпроцессы

1. Смесительный бак для хранения концентрата из обогащения. Размер частиц <45 мкм для ~80% частиц.
2. Добавка флюсов (доломит, известняк, известь, оливин — по качеству пеллет).
3. Удаление большей части воды фильтрами. Влажность после фильтрации ~9%.
4. Смеситель для введения связующего (бентонит или органическое) для прочности сырых пеллет.
5. Пеллетизационные диски или барабанные шарообразователи для производства сырых пеллет. Диски популярнее.
6. Вибрационные сита для разделения фракций сырой пеллеты. Недосорт возвращают в процесс, пересорт дробят перед возвратом.
7. Нормальные (8–16 мм) пеллеты на транспортере к сушке в горячем сегменте.

Горячие подпроцессы

1. Сушильная печь: удаление основной влаги сырой пеллеты горячим воздухом через слой. Сухие пеллеты в печь спекания.
2. Обжиг (1250–1300 °C) в печи спекания для превращения сырой пеллеты в готовый продукт.
3. Охлаждение обожженных пеллет до ~200 °C в охладителе надувом холодным воздухом.

Большинство подпроцессов автоматизированы. Некоторые критически зависят от предыдущих: крупная фракция, пересушенный концентрат, неработающая сушка → нет пеллет. Менее критично: субоптимальная работа отдельных сегментов. Пример: неравномерное перемешивание связующего → страдает шарообразование. Пеллетизация — цепочка взаимозависимых подпроцессов.

Роль связующего и добавок

Связующее решает две задачи: (1) делает руду пластичной для нуклеации семян, растущих в качественные пеллеты; (2) удерживает пеллету при транспортировке, сушке, преднагреве до набора прочности при обжиге. Оптимальное связующее: высокое качество пеллет при минимальной стоимости, минимум примесей, нетоксично, удобно в обращении, не требует сложной дозировки. Малые добавки бентонита способствуют связыванию за счет керамических связей и большей уплотненности частиц при качении зелени.

Качество зелени зависит от: минералогии, химии, гранулометрии рудных мелковых; параметров шарообразования: размер корма, добавка воды, скорость вращения диска, угол наклона диска, время пребывания в диске.

Роль воды в зеленых пеллетах

Вода агломерирует руду, выполняет функцию связывающей жидкости. Мокрые агломераты существуют в разных состояниях в зависимости от количества воды (схем. рис. 1). Степень заполнения пор связывающей жидкостью / насыщенность жидкостью описывает долю порового объема, заполненного жидкостью.

Рис. 1. Схематичное представление состояний мокрого агломерата

• Низкие насыщенности: частицы удерживаются жидкостными мостиками (пендулярные связи, пендулярное состояние).
• Состояние натяжения (фуникулярное): сосуществуют жидкостью наполненные капилляры и мостики.
• Капиллярное состояние: все капилляры заполнены жидкостью, в порах вогнутые поверхности от капиллярных сил.
• Каплевидное состояние: агломерат удерживается силами сцепления жидкости.
• Псевдокаплевидное: незаполненные пустоты внутри капли.

Общая черта: в капиллярном и каплевидном состояниях — либо вогнутые капиллярные отверстия, либо свободная поверхностная вода на всей внешней поверхности. Теория капиллярной прочности мокрых агломератов хорошо разработана.

Влияние добавок (известковые)

Известковые добавки (CaO, Ca(OH)₂) улучшают операцию и экономику. Значительно улучшают свойства зеленых, сухих и обожженных пеллет.

Факторы качества продуктовых пеллет

Физическое и металлургическое качество зависит от: качества зелени, типа и количества связующих, флюсов, добавок, параметров спекания (температура, время и т.д.). Ингредиенты зелени взаимодействуют при обжиге, образуя в продуктовых пеллетах разные фазы и микроструктуры. Тип, количество, химия и распределение фаз определяют металлургические свойства при восстановлении в доменной печи.

Исследования зелени и спекания магнетита и высококачественного гематита с низким Al₂O₃ проводились во многих странах. Результаты не переносятся напрямую на руды с высоким Al₂O₃ из-за разницы химии и минералогии. Руды с высоким Al₂O₃ имеют другие пеллетизационные характеристики.

Специфика обжига гематитовых руд

Для гематита нужно больше внешнего тепла — нет экзотермической реакции окисления магнетита: 4FeO + O₂ = 2Fe₂O₃.

Энергозатраты на пеллеты из гематита > магнетита. Гематитовые пеллеты имеют плохие спековательные свойства, не набирают прочность до >1300 °C. При <1200 °C частицы гематита и структура сохраняют форму. Размер частиц не растет, дефекты решетки Fe₂O₃ не исчезают до >1300 °C. При высоких температурах образуются начальные мостики между зернами, рекристаллизация Fe₂O₃. Но при >1350 °C — вредно: Fe₂O₃ разлагается на Fe₃O₄: 6Fe₂O₃ = 4Fe₃O₄ + O₂ → потеря качества.

Термодинамика: температура разложения Fe₂O₃ растет с ростом парциального давления O₂. Избегать чрезмерно высоких температур обжига и низкого pO₂. Нужен более высокий и узкий температурный интервал обжига гематитовых пеллет → сложнее эксплуатация обжигательных агрегатов.

Для усиления спекания гематитовых пеллет практически выгодны: добавка магнетита и углеродоносящие методы.

Специфика пеллетизации магнетитовых руд

При оксидании пеллеты магнетита: образуется оболочка из гематита, ядро — магнетит. Термические объемные изменения: спекание в магнетитовой фазе начинается раньше (950 °C) vs гематитовой (1100 °C). Разница скоростей спекания макс. ~1100 °C. Скорость спекания растет в обеих фазах с измельчением магнетитового концентрата. Более тонкое помол → образование нежелательных дуплексных структур с сильно спеканным ядром, отслаивающимся от оболочки. При постоянной исходной пористости зеленых пеллет скорость оксидации падает при измельчении концентрата (усиленное спекание). Но на практике тонкое сырье требует больше воды при шарообразовании → рост пористости зелени. Два противоположных эффекта уравновешиваются, время оксидации становится постоянным. В промышленных условиях различия в дуплексной структуре сохраняются — происходит лишь частичное оксидание до спекания.

Влияние известняка и гидратированной извести

Добавка CaO слегка снижает производительность зелени, но повышает ударную устойчивость и прессовочную прочность зелени. Прочность пеллет прямо пропорциональна усадке при обжиге. Для флюсированных пеллет: CaO увеличивает усадку → прочность. Взаимодействие CaO, SiO₂, Fe₂O₃ → кальцийсиликаты и кальцийферриты. CaO способствует спеканию мелких частиц гематита за счет локального вторичного минерального связывания у исходных частиц CaO. При росте температуры и концентрации CaO образуется больше шлака → консолидация структуры, снижение доступной пористости.

Ca(OH)₂ позитивно влияет на ударную устойчивость и прессовочную прочность зеленых и сухих пеллет. Хорошее влияние на итоговую прочность обожженных пеллет.

Ca(OH)₂ снижает эффективность бентонита как связующего: заменяет более эффективный Na⁙ на Ca²⁺, переводя в более кальциевую, менее эффективную форму → ухудшение свойств. Поэтому нежелательно добавлять >1 связующего одновременно — может ухудшить свойства вместо улучшения. После определенного количества Ca(OH)₂ достигается улучшение свойств, приписываемое действию Ca(OH)₂ как связующего при пеллетизации. Кинетика восстановления пеллет с 0,4% бентонита и 4% Ca(OH)₂ (лучшие физ.-хим. свойства) показывает: восстановление контролируется межфазной химической реакцией.