Методы агломерации железной руды: исторический обзор

Существует четыре основных типа агломерационных процессов (рис. 1): брикетирование, нодулирование, спекание и пеллетирование.

Общие сведения о процессах агломерации

Брикетирование — самый простой и ранний применявшийся метод. Мелкодисперсные железные руды прессуют в подушкообразные брикеты с добавлением воды или связующего вещества под высоким механическим давлением.

Нодулирование осуществляется путем пропускания мелких фракций или концентрата вместе с углеродсодержащим материалом через наклонную вращающуюся печь, нагреваемую газом или мазутом. Температура внутри печи достаточна для размягчения руды, но недостаточна для её плавления. Полученные нодули значительно варьируются по составу, обладают чрезмерной плотностью, шлакообразной структурой и не имеют необходимой пористости, поэтому данный процесс не получил широкого распространения.

Брикетирование и нодулирование относятся к процессам холодного связывания и преимущественно применяются для переработки вторичных железносодержащих отходов металлургических заводов. Спекация и пеллетирование — это процессы первостепенного значения для производства чугуна.

По данным Всемирной ассоциации стали за 2014 год, производство доменной чугуна и прямовосстановленного железа составило 1183 млн т и 73 млн т соответственно. Основная часть этого объема получена из железной руды в виде агломерата и пеллет. В то время как предпочтительной загрузкой для доменной печи служит агломерат и/или пеллеты, для производства прямовосстановленного железа используются только пеллеты. Хотя точная статистика по выпуску агломерата и пеллет не ведется, их совокупное мировое производство можно с уверенностью оценить более чем в 1300 млн т в год для обеспечения выплавки 1256 млн т железа.

Исторические предпосылки развития агломерации

Исторически сырьевой базой для мировых доменных печей служили естественные кусковые руды. При добыче железных руд формировалось большое количество мелких фракций, которые не могли использоваться в доменных печах и сбрасывались на свалки. Истощение залежей качественных кусковых руд вынудило разработать процесс спекания мелких фракций для их использования в доменной печи. То же обстоятельство толкнуло к освоению низкокачественных руд, требующих тонкого помола для обогащения. Полученные микромелкие высококачественные концентраты требовали агломерации для использования в доменной печи, что привело к возникновению процесса пеллетирования. Эти агломераты кардинально улучшили показатели работы доменных печей и вызвали принципиальную перестройку системы загрузки.

История спекания железной руды

В середине XIX века в медидобывающей промышленности Англии использовались небольшие спековые котлы. Происхождение процесса спекания датируется 1887 годом, когда Ф. Хаберлайн и Т. Хантингтон (Англия) запатентовали процесс агломерации для спекания сульфидных руд (патент № 786814 от 11.04.1905). В этом процессе спекание осуществлялось с продуваемым снизу вверх спековым слоем воздухом (встречный продув). Метод также известен как процесс вверхнего продува. Схема котлового спекания показана на рис. 2.

В 1902 г. В. Джоб запатентовал спекание пиритного шлака и пылеобразных железных руд с добавлением угля и продувом воздуха снизу вверх (немецкий патент № 137438). В 1905 г. Э.Дж. Савелсберг разработал процесс спекания железных руд со спековой смесью, содержащей уголь и коксовый припыл (немецкий патент № 210742). В 1906 г. А.С. Двайт и Р.Л. Ллойд (США) изобрели ленточный спековой аппарат для вакуумного спекания. В 1909 г. фон Шлиппенбах изобрел вращательный спековой аппарат (немецкий патент № 226033). В 1913 г. В. Барт сконструировал спековую ленту для работы с продувом воздуха снизу вверх (немецкий патент № 276424). В 1914 г. Дж.Е. Гринауолт получил патент (США № 1103196) на прямоугольные ковшивающиеся тазы для вакуумного спекания. Круглый спековой аппарат был изобретен в 1930 г. В.А. Сахарновым.

Процесс Хантингтона-Хаберлайна был лучшим методом спекания до появления патента Двайта-Ллойда № 882517 от 17.03.1908. Этот метод позволял получать спеканный материал, но продукт был неудовлетворительным по составу и дорогостоящим в обращении. Спекация велась в огромных котлах, где тонны руды, смешанной с известью, сжигались под принудительным вверхним продувом. При этих условиях получить однородный продукт было невозможно: нижние слои заряда под давлением верхних превращались в непористый шлак, а в верхних — из-за подвижения частиц руды настремянными потоками воздуха — значительные количества мелкодисперсного материала оставались неспеканными. Неспеканный материал требовал повторной обработки, а массивные куски полностью сплавленного непористого материала не могли использоваться в доменной печи без предварительного дробления с большими затратами, и даже после этого были неудовлетворительны по физико-химической структуре.

Неуклюжий процесс котловой обжигки Хантингтона-Хаберлайна не выдерживал сравнения с процессом, описанным в патенте Двайта-Ллойда № 882,517. Этот процесс исключал вариации давления по высоте заряда и обеспечивал покой частиц руды во время горения. Это достигалось простыми, но эффективными средствами: давление исключалось обработкой руды тонким слоем; покой частиц обеспечивался либо встречным продувом с поджигом сверху (в этом случае подвижение частиц сдерживалось сосудом и давлением нисходящего потока), либо, при использовании вверхнего продува, — ситом, удерживающим частицы у верхней поверхности. По пористости, рассыпчатости и химической структуре спеканный продукт Двайта-Ллойда был практически идеален для доменной печи, а их процесс превосходил любые известные на тот момент методы подготовки мелкодисперсных руд к доменной переработке.

Первый рабочий аппарат по этому методу был разработан Артуром Смитом Двайтом (1864–1946) и Ричардом Льюисом Ллойдом в июне 1906 г. на медном руднике Канаине (Мексика), а в 1907 г. получен соответствующий патент. В 1908 г. Двайт-Ллойд установили спековой аппарат на заводе Ohio Colorado Smelting Company в Салиде (Колорадо). Это был непрерывный аппарат, в котором спековой слой постоянно перемещался под поджигателем и через секции камер сосущего продува. Спеканный продукт автоматически сбрасывался машиной после прохождения зоны спекания.

До 1910 г. Дж.Е. Гринауолт, опытный металлург, занимался изучением процессов десульфуризации сульфидных руд. В ходе работы он обнаружил, что использование пористой печи, на которой руда обжигалась при нисходящем продуве воздуха, обеспечивало эффективную десульфуризацию, а нисходящий продув позволял улавливать ценные летучие компоненты продуктов горения, обычно уходящие в трубу. Он отметил спеквающий эффект этого процесса, но его целью не было производство спеканца — в разработке обжигающих процессов он стремился предотвратить спекание, препятствующее полной десульфуризации. Для этого в своих двух патентах на нисходящий продув (№ 839,064 и 839,065 от 18.12.1906) он использовал раббли.

Гринауолт разработал периодический спековой аппарат на основе нисходящего продува, установленный на Modern Smelting Refining Company в Денвере (Колорадо) около 1909 г. Процесс Гринауолта был открыт за несколько месяцев до процесса Двайта-Ллойда. Его особенности: очень малые утечки воздуха, дно таза выполнено в виде решетки или перфорированной стальной пластины. Загрузочная и поджигательная печь были подвижны, спеканец обычно выгружался поворотом таза над бункером. Аппарат представлял таз, установленный на вращающихся опорах, где происходило спекание; нисходящий продув создавался камерой всасывания в тазе под спековым слоем. Спеканный продукт выгружался поворотом таза, после чего цикл повторялся. Этот процесс впервые коммерчески применялся для спекания доменной пыли. С 1910 г. аппараты Гринауолта широко использовались для обработки сульфидных руд, а с 1912 г. — для ферристых руд.

Процесс спекания Двайта-Ллойда с нисходящим продувом стал доминирующим, и абсолютное большинство спеканца в настоящее время производится именно этим методом. Два изобретателя, основавшие в 1907 г. компанию «Dwight and Lloyd Metallurgical Company» в Нью-Йорке, не только построили множество таких заводов, но и лицензировали процесс во всем мире, в том числе у производителя оборудования Lurgi. Первый аппарат для спекания железной руды по процессу Двайт-Ллойд был построен в 1910 г. в США. Первый спековой завод по этому процессу в Германии — в 1917 г.

Несмотря на множество усовершенствований в механической конструкции аппаратов и технологии спекания железных руд, базовый принцип процесса остался неизменным.

История пеллетирования

Пеллетирование отличается от спекания тем, что сначала формируется сырая (необожженная) пеллета или шарик, который затем закаляется нагреванием. В ходе развития процесса спекания первоначальные попытки были направлены на дальнейшее улучшение процесса для использования микромелких руд. Это привело к разработке альтернативного процесса — пеллетирования. В Швеции и Германии использование больших количеств мелких фракций в спековой смеси приводило к ограничению производительности, что стало первым этапом развития пеллетирования. Первый патент на пеллетирование получен А.Г. Андерссоном (Швеция) в 1912 г. (патент № 35124) и в 1913 г. К.А. Браккельсбергом (Германия). В 1926 г. для Krupp на сталелитейном заводе Рейнхаузен построен пилотный пеллетный завод мощностью 120 т/сут. В 1937 г. он демонтирован для размещения крупного спекового завода.

Второй этап развития пеллетирования прошел в США. Главным центром этой технологии и источником успешного современного развития стала Горно-экспериментальная станция Миннесотского университета (США). В 1940-е годы исследователи этой станции под руководством доктора Э.У. Дэвиса и его коллег изучали проблемы использования низкокачественных железных руд Миннесоты. Особое внимание уделялось железистым породам, прилегающим к основным рудным телам Месаби-Рейндж. Эти низкокачественные руды (25–30% Fe) исключительно твердые и абразивные, местно называются «такониты». Это исходный материал, из которого естественным выщелачиванием и окислением сформировались высококачественные гематиты Месаби. Извлекаемое железное минерал — тонкорассеянный магнетит; руду необходимо помолоть до 80% – 325 мesh для раскрытия, концентрат содержит около 65% железа и 8% кремнезема.

К 1945 г. НИР на станции достигли значительного прогресса. Здесь не только была разработана перспективная технология обогащения, но и исследованы новые способы использования полученного очень тонкого концентрата. Влажный концентрат шариковали в вращающемся барабане, а затем закаляли подходящей термической обработкой в шахтной печи. Твердые пеллеты (около 15–25 мм в диаметре) считались подходящим сырьем для доменной печи, и последующие испытания в малой опытной доменной печи дали обнадеживающие результаты. Эти результаты привлекли внимание железных производителей мира и вдохновили особенно энергичную и успешную работу в Швеции. В США сталелитейные и рудные компании увидели в этой технике средство продления богатых, но истощающихся рудных ресурсов Миннесоты и Мичигана за счет использования ранее непригодного материала. Были созданы новые компании для изучения этих возможностей, и НИР интенсифицировались. К 1949 г. в США и Швеции общепринятым считалось, что лучший способ формирования шариков из концентрата — во вращающемся барабане, но мнения расходились по методу термической обработки.

Необходимо, чтобы используемый аппарат, какой бы формы он ни был, (i) обеспечивал точный температурный контроль, (ii) требовал минимального расхода топлива, то есть рекуперировал чувствительную теплоту, (iii) имел достаточно надежную и бесперебойную работу, и (iv) обеспечивал адекватную единичную производительность.

Сначала в пилотных исследованиях использовались исключительно вертикальные шахтные печи: влажные шарики концентрата загружались сверху и двигались вниз навстречу восходящему потоку горячих газов, которые сначала сушили их, а затем нагревали до температуры закалки. Закаленные пеллеты выгружались из нижней части печи.

Работа Дэвиса кульминировала в 1943 г., когда опытные пеллеты были обожжены в шахтной печи. После Второй мировой войны, в 1947 г., аналогичная опытная установка была построена в Швеции. В 1950-е годы стало очевидно, что пеллетирование — экономически целесообразный метод агломерации мелкодисперсных концентратов. Первый пеллетный завод был введен в эксплуатацию в Швеции, где пеллеты обжигались в шахтных печах мощностью 10–60 т/сут.

Хотя процесс интринсически прост и поэтому привлекателен, на практике он обнаружил ряд сложностей. Среди наиболее острых проблем начала 1950-х годов: (i) трудности обеспечения равномерного распределения газа, (ii) трудности равномерного спуска заряда, однородной обработки пеллет и бесперебойной выгрузки продукта, (iii) трудности достижения высокой производительности от одной единицы, и (iv) неопределенность в вопросах «масштабирования» и наиболее подходящей формы печи.

Эти проблемы побудили компанию Reserve Mining Company (США) искать другой путь. Новое направление развития коренялось в «процессе Леполь», используемом в цементной промышленности. Этот процесс, разработанный в Европе, состоит из шариковообразующего узла, питающего движущуюся решетку, где шарики сушатся и частично закаляются. Решетка сбрасывает материал в вращающуюся печь, где завершается процесс обжига; горячие газы из печи перенаправляются обратно на решетку для выполнения функций сушки и закалки.

Митчелл сообщал, что доктор Леллеп из компании Allis-Chalmers предложил, что шариковообразующий барабан и решетка могут быть успешно использованы для получения обожженных пеллет из тонких магнетитовых концентратов. Если такая схема могла бы обеспечивать сушку и обжиг пеллет с рекуперацией чувствительной теплоты продукта, это могло бы относительно дешево решить проблемы агломерации тонких магнетитовых концентратов.

Исследования продолжались в лабораториях Allis-Chalmers с обнадеживающими результатами, и в 1954 г. Reserve Mining Company ввела в эксплуатацию опытную установку мощностью 1000 т/сут на этих принципах, но механически спроектированную по типу спековых машин компанией Arthur G. McKee. Пеллеты сушились продувом горячего воздуха снизу вверх через слой, а затем закалялись за счет нисходящего продува горячих газов из специальных печей. Предусмотрено охлаждение пеллет на кароте с восстановлением горячего воздуха для сушки влажных шариков на загрузочном конце, что снижало расход топлива. Получен ценный опыт эксплуатации, и через несколько месяцев испытаний руководство Reserve (апрель 1954 г.) заказало проектирование шести крупных машин для установки в Сильвер-Бей на западном берегу Верхнего озера.

Другие компании продолжали развитие процесса с вертикальными шахтными печами, также для магнетитовых концентратов, и их прогресс также оправдал строительство крупных установок: завод Erie Mining Company в Хойт-Лейкс, крупнейший такого типа, введен в эксплуатацию в 1957 г. и включал 24 вертикальные шахтные печи.

В 1950-е годы, таким образом, и вертикальные шахтные печи, и машины с движущейся решеткой разрабатывались и применялись для пеллетирования тонких магнетитовых концентратов. Магнетитовые концентраты относительно легко пеллетизируются. Частицы гранулярной (а не пластинчатой) формы, с большой удельной поверхностью и поверхностью, не загрязненной флотационными реагентами. При правильной обработке они окисляются при обжиге, давая полезное тепловыделение. Окисление также сопровождается ростом зерен и рекристаллизацией, что способствует развитию необходимой конечной прочности. Однако не все ферристые концентраты — магнетиты. В штате Мичиган есть крупные залежи жаспилитов, где железным минералом является тонкорассеянный зернистый гематит. Эти руды называют аналогом миннесотских таконитов для Мичигана, но железное минерал извлекается флотационными и гравитационными методами, а не магнитным обогащением.

Такие гематитовые концентраты представляют особые проблемы, и их освоение стало главной заботой компании Cleveland Cliffs Iron Company. В 1956 г. они начали работу в Игл-Миллс (Мичиган) с решеточной машиной, но с тех пор построено два очень успешных крупных завода с использованием системы решетка-печь, что по сути является процессом Леполь в полном объеме, примененным напрямую к проблеме железной руды. Система разработана Allis-Chalmers, а сами заводы спроектированы и построены компанией McKee. В целом можно сказать, что процесс Леполь (сушка и предогрев на решетке и закалка в печи) оказался очень успешным для гематитовых концентратов (которые не имеют преимущества экзотермического тепла окисления), в то время как для магнетитов обычными инструментами являются «прямая решетка» или вертикальные шахты.

Пеллетирование железной руды — метод шведского происхождения, запатентованный в 1912 г. А.Г. Андерссоном (Ямагучи и соавт., 2010). Процесс развивался в США в 1940-е годы, и первый коммерческий завод начал работу в Баббитт (Миннесота) в 1952 г. Первый пеллетный завод типа решетка-печь был основан на руднике Хумбольдт (Мичиган) в 1960 г. Allis-Chalmers (предшественник Metso) с тех пор построила около 50 таких заводов. Однако очень мало старых заводов, построенных до 1975 г., все еще работают. Другим строителем заводов типа решетка-печь является Kobe Steel, построивший свой первый завод в 1966 г. на Кобе-Воркс, Надахама, и с тех пор построивший более десяти заводов, большинство из которых все еще работают.

С 2000 г. процесс решетка-печь, разработанный группой Shougang, быстро внедряется в Китае. Строительство новых заводов типа решетка-печь в Китае было очень заметно в последнее десятилетие с появлением новых производителей оборудования, таких как Jiangsu Hongda и Citic. Наблюдается экспоненциальный рост с 2000 г., вызванный в основном установками в Китае.