Оптимизация технологии агломерации и проектирования агрегатных машин для производства железной руды

Технология агломерации железных руд и оптимизация проектирования агрегатных машин

Технология агломерации в своей самой базовой форме очень проста и используется с начала XX века. Однако, хотя базовая технология проста, контроль процесса опирается на ряд крайне сложных взаимозависимых параметров и требует глубокого понимания влияния этих параметров на производительность и качество агломерата.

Базовая технология агломерации

Технология агломерации по сути является процессом агломерации мелкодисперсных железных руд, основанным на тепле для плавления поверхности мелких частиц и их сращения в более крупные агрегаты. Типичный агломерационный завод состоит из ряда последовательно работающих узлов с агрегатной машиной в центре завода. Упрощенная последовательность процесса такова:

Сырье, состоящее из мелкодисперсных железных руд, коксовой крошки, шлакообразователей (известняк, доломит, марганцевая руда, известь, кварцит, песок и др.) и отходов (वालцевая чешуя, просевки, пыли, ил, конвертерные шлаки и др.) дозируют и транспортируют в систему смешения. Сырье смешивают в вращающемся барабане после добавления возвращаемой агломерационной крошки и воды для получения «зеленой» загрузки для процесса. Процесс смешения обычно называют «нудюлированием». Нудулизованная зеленая загрузка заряжается на ленту агрегатной машины поверх размерного подслоенного слоя, образуя «агломерационное ложе». Это ложе проходит через зажигательную печь (колпак) для инициации реакции. Горелики в колпаке поджигают углерод в зеленой загрузке, заряженной в виде коксовой крошки. Реакция распространяется за счет химической реакции между углеродом и воздухом, всасываемым через агломерационное ложе вытяжными вентиляторами. Агломерат сгорает вертикально, пока ложе движется горизонтально к концу разгрузки. Агломератированный материал разгружается через горячий дробिलку агломерата на агломерационный охладитель, где окружающий воздух продувается через дробленый горячий агломерат снизу. После охлаждения агломерат транспортируется в дробяще-сортировочный участок, где он сортируется по фракциям и наконец транспортируется либо на склад доменной печи, либо на склад агломерата.

Агломерационные машины, которые обычно используются, – это прямые машины для крупных агломерационных заводов и кольцевые машины для небольших заводов. Вытяжные газы обычно очищают в циклонах и электрофильтрах перед сбросом в атмосферу.

Помимо всех остальных требований, проектирование современного агломерационного завода с ленточной агрегатной машиной должно удовлетворять требованиям подготовки и транспортировки сырья, а также сортировки и транспортировки продукта вместе с достаточно сложными системами управления и приборов.

Высокая однородность и высокая проницаемость сырьевой смеси агломерации являются решающими факторами для достижения высокой производительности и качества агломерата при сниженном энергопотреблении.

После охлаждения продукт агломерации сортируют в дробяще-сортировочном участке. Там охлажденный агломерат дробят для использования в трех разных направлениях: (i) возвращаемая крошь в процесс агломерации, (ii) подслоенный слой, (iii) для загрузки в доменную печь. Мелкозернистые частицы возвращаются в процесс агломерации, среднеразмерные частицы обычно используются как подслоенный слой для защиты тарелочных тележек, а крупнозернистые частицы транспортируются в доменную печь.

Сама агрегатная машина остается ядром технологии агломерации и имеет основные компоненты (рис. 1): (i) тарелочные тележки, (ii) привод агрегатной ленты, (iii) натяжной механизм, (iv) зажигательная печь, (v) аварийная площадка и горячая дробилка агломерата. Ниже описаны основные требования к проектированию и инженерные подходы к этим компонентам.

Тарелочные тележки

Тарелочные тележки перевозят зеленую загрузку вдоль тракции машины и над ветряными коробками (где создается разрежение) в процессе агломерации зеленой загрузки. Агломерационная лента состоит из нескольких тарелочных тележек и может рассматриваться как неразъединенная бесконечная цепь из-за своего движения. Поэтому тарелочные тележки подвергаются напряжениям, вызванным:

• Циклическими термическими вариациями из-за высоких температур на агломерационной (верхней) стороне тракции и охлаждением тележек на обратном (нижнем) участке тракции.
• Циклическими статическими нагрузками от массы зеленой загрузки/агломерата.
• Циклическими динамическими нагрузками от сил, передаваемых ведущими звездочками, а также тележками друг на друга.

Хотя разработка ленточных агрегатных машин и материалов для их компонентов идет уже более столетия, факт остается фактом: указанные тяжелые условия эксплуатации приводят к усталости самых подходящих материалов (модифицированный, флаковый графит и белый чугун и др.) за ограниченное число циклов. Поэтому многие агломерационные заводы обычно планируют замену тарелочных тележек на основе среднего срока службы 10 лет, при примерно менее 330 днях в год.

Выбор материалов и форм компонентов тарелочных тележек дополнительно определяется требованиями: (i) минимальное падение давления через решеточные прутья, (ii) максимальная износостойкость решеточных прутьев, (iii) максимальная вязкость и износостойкость щековых плит при скользящем движении зеленой загрузки и агломератированного материала, (iv) быстрая заменяемость изношенных или иных негодных компонентов персоналом, не обладающим высокой квалификацией.

Привод агрегатной ленты

Тарелочные тележки, которые не связаны, толкаются вдоль верхней тракции рамы машины ведущими звездочками, установленными на общем валу с усадочными дисками. Звездочки обычно оснащены заменимыми зубчатыми сегментами, точно отлитыми из специальной стали. Зубы передают катящееся действие на внутренние колеса ступичных валов, из которых четыре прикреплены к каждой тарелочной тележке. Внешние колеса ступичных валов служат для направления тележек в их точках возврата, то есть на ведущей и разгрузочной станциях, в то время как внутренние колеса несут статические и динамические нагрузки, когда тележки толкаются вдоль тракции.

Привод агрегатной ленты обычно не размещают на разгрузочном конце тракции по причинам тепла и ремонтопригодности. Доступны следующие варианты основного привода: (i) электромеханический с регулируемым приводом, или (ii) электрогидростатический с регулируемым насосом или двигателем. Можно использовать как двойные, так и одинарные приводы. Основные причины выбора приводов и схем приводов: (i) уменьшение нависающих нагрузок за счет валовых планетарных редукторов, (ii) диапазон скоростей, (iii) ремонтопригодность.

Натяжной механизм

Натяжной механизм предназначен для компенсации дифференциального термического расширения между движущимися тарелочными тележками и рамой вместе с рельсами и ветряными коробками агрегатной машины, сохраняя при этом достаточное давление для предотвращения разъединения торцевых граней тележек. Натяжные механизмы обычно автоматические с помощью систем противовес/блок или гидросистемы. Преимущества гидросистемы: (i) можно поддерживать минимальное давление для снижения трения износа между торцевыми гранями тележек, (ii) замена отдельных тарелочных узлов (раскрытие тракции) облегчается использованием двуходового цилиндра (или цилиндров).

Производители машин по веским техническим причинам обычно предусматривают для тракций крупных машин натяжные механизмы, расположенные на разгрузочном конце тракции. Но для тракций более мелких машин более целесообразно размещать натяжные механизмы на холодном ведущем конце. В любом случае соответствующий механизм должен быть спроектирован как подвижный блок, либо установленный на колесно-рельсовую конструкцию, либо подвешенный к ней. Необходим точный механизм направления, позволяющий выровнять ведущую станцию по центральной линии тракции.

Зажигательная печь

Зажигательная печь в агрегатной машине можно описать как огнеупорно облицованный стальной ящик, в котором расположены два или более горизонтально противоположных горелки. В качестве источника тепла можно использовать любое топливо: газообразное (коксовый газ, доменный газ, смешанный газ, природный газ и др.), жидкое топливо или твердое топливо (пульверизованный уголь). Вертикально движущиеся двери закрывают фасады зажигательной печи до уровня верха зеленой загрузки для минимизации тепловых потерь. Цель зажигательной печи – поджечь верхний слой зажиганием углерода коксовой крошки в зеленой загрузке.

Для выполнения вышеуказанных требований зажигательная печь должна быть оснащена следующими особенностями:

• Пламя горелок должно работать с низкой скоростью, чтобы избежать нарушения ложа зеленой загрузки.
• Пламя плоской формы преимущественно для быстрого и равномерного зажигания зеленой загрузки.
• Необходимо подходящее обеспечение для контролируемой подачи охлаждающего воздуха к горелкам для достижения желаемой температуры пламени.
• Должны быть доступны адекватные системы управления горелками, простые в эксплуатации.
• Все системы управления печью должны быть аварийно-безопасными.
• Пилотные пламена должны быть надежными, например, если горелки работают на газе низкой и/или колеблющейся калорийности, как доменный газ или смешанный газ, то пилотные пламена должны работать на сжиженном нефтяном газе (СНГ).

Аварийная площадка и горячая дробилка агломерата

Аварийная площадка предназначена для направления горячего агломератированного материала, разгружаемого из тарелочных тележек, в горячую дробилку агломерата, которую также иногда называют «пальцевой дробилкой». Поскольку аварийная площадка подвергается сильному удару и износу, она сильно облицована. В некоторых машинах аварийная площадка облицовывают керамическими кубами. Срок службы этих облицовок должен соответствовать годовым плановым периодам технического обслуживания завода. В случае агрегатных машин меньшей мощности облицовку аварийных площадок обычно делают из износостойких плит или даже из чугунных плит износостойких материалов, которые обычно считаются адекватными.

Горячая дробилка агломерата дробляет куски агломерационного пирога до размера менее 150 мм для подготовки к охлаждению и вторичному дроблению. Поскольку агломерационный пирог сохраняет температуру около 850 °C на момент выхода с тракции, горячая дробилка работает в очень агрессивной среде. Поэтому конструкция горячей дробилки должна учитывать эту агрессивную среду. Эта проблема решается следующими конструктивными особенностями: (i) съемные пальцы/пальцевые колеса, (ii) экранированные подшипники, (iii) водяное охлаждение валов (на крупных агрегатных машинах), (iv) быстрая заменяемость полного валового узла, включая пальцы, подшипники и защитные щиты подшипников. Это требует удобства снятия пылеулавливающего козырька, а также легкого отсоединения привода дробилки.

Технология охлаждения агломерата с альтернативами тепловозврата

Агломерационный охладитель часто становится «узким местом» производства агломерата, устаревшая технология приводит к низкой производительности и высоким эксплуатационным и ремонтным затратам. Обычно для охлаждения агломерата используют кольцевой охладитель. В некоторых агрегатных машинах также используют прямые охладители.

Конструкция кольцевого охладителя теперь по сути состоит из жесткого кольцевого рамочного построения для легкого и устойчивого центрирования материала. Продвинутая конструкция загрузочного желоба охладителя обеспечивает более однородное распределение агломерата на охладителе, удерживая куски с большими диаметрами ближе к дну, а мелкие – у верха. Это повышает охлаждающую производительность, снижает потребление энергии вентиляторами и предотвращает повреждение сопутствующего оборудования. Охладитель имеет специальные резиновые уплотнения между движущимся желобом охладителя и системой воздушных каналов, обеспечивающие более эффективное использование охлаждающего воздуха.

Для дальнейшего повышения энергоэффективности агломерационного завода на агломерационном охладителе устанавливают ряд различных типов систем тепловозврата, где чувствительное тепло отходящего воздуха используется для генерации электрической энергии или процессового пара. Существует три возможных варианта тепловозврата, которые обычно применяют: (i) предварительный нагрев горячего воздуха для зажигательной печи и пост-нагрев свежеподожженного агломерата, (ii) селективная система рециркуляции отходящих газов, обеспечивающая экономию кокса и CO₂ (углекислого газа), (iii) установка тепловозврата для генерации пара и/или электроэнергии.

Роль испытаний при проектировании агломерационного завода

Обычно испытания при проектировании агломерационного завода имеют трехцелевую задачу: (i) подтвердить определенные заранее выбранные параметры процесса на основе существующих похожих агломерационных заводов, (ii) оценить выбранные параметры с точки зрения предполагаемой производительности агломерационного завода, (iii) получить проектную информацию, специфичную для предлагаемого агломерационного завода.

Изменение параметров, таких как процент добавления коксовой крошки и в меньшей степени процент добавления воды, обычно используется для достижения точки оптимизации для набора рабочих параметров. Если набор условий выбран достаточно близко к целевому, оптимизацию оценивают по «коэффициенту агломерационной крошки» (вес образованной крошки / вес крошки, возвращенной в зеленую загрузку), который должен быть максимально близок к 1 (агломерат считается хорошим, если коэффициент находится между 0,95 и 1,05).

Если вариации воды и коксовой крошки не позволяют достичь коэффициента агломерационной крошки, его можно дополнительно оптимизировать только изменением входной агломерационной крошки в смесь зеленой загрузки для заданной высоты ложа и падения давления (вакуума).

Следующие параметры процесса обычно первоначально выявляют для прямых машин и устанавливают на указанных предварительно выбранных значениях для испытаний:

• Вакуум (падение давления) – 1200–1400 мм вод. ст.
• Высота ложа – 400–450 мм
• Время зажигания – 1,5–2,0 мин
• Температура зажигания – около 1000 °C
• Подслоенный слой – 30–50 мм
• Возвращаемая крошь – 25–30% от производства агломерата

Испытательные альтернативы обычно выбирают на основе прогнозируемых эксплуатационных требований предлагаемого агломерационного завода. Некоторые предлагаемые альтернативы: (i) базовый вариант, состоящий только из рудной крошки без добавки пыли или илов, (ii) с определенным процентом пыли и илов, добавленным к рудной крошке, но без нудюлирования, (iii) с определенным процентом пыли и илов, добавленным к рудной крошке, но на этот раз предварительно нудюлированных перед смешением с рудной крошкой.

Роль добавления воды

Воду добавляют в агломерационную смесь по разным причинам, самая важная – распространение агломерации мелкодисперсной пыли на более крупные частицы в процессе нудюлирования. Это вместе со временем нудюлирования играет ключевую роль в контроле проницаемости агломерационной смеси и, следовательно, агломерационного пирога. Однако это также влияет на качество агломерационного пирога (холодная прочность) и производительность, выход и коэффициент агломерационной крошки. Следовательно, необходим контроль влажности в процессе агломерации. Обычно при высоких нормах добавления воды при агломерации требуется больше энергии, а при низких нормах добавления воды, чем необходимо, надлежащее нудюлирование не происходит. Поэтому нормы добавления воды нужно оптимизировать через испытания. По этой причине контроль оптимального добавления воды критически важен для стабильной работы, и адекватное обеспечение для этого требуется на стадии проектирования. Однако добавление воды – параметр, который можно легко дополнительно оптимизировать при пусконаладочных работах полноразмерного завода.

Добавление коксовой крошки

Агломерационная реакция распространяется за счет плавления поверхностного слоя отдельных частиц рудной крошки и их сращения. Тепло (энергия), доступное для этой реакции, контролируется реакцией между углеродом коксовой крошки, добавленной в агломерационную смесь, и кислородом из воздуха, всасываемого через ложе. Взаимодействие между этими двумя параметрами сложно и играет большую роль в определении выходов процесса: производительности, выхода, коэффициента агломерационной крошки и качества агломерата для заданного набора фиксированных параметров процесса.

Важно отметить, что ни один из различных параметров процесса (падение давления, выход, производительность, температура зажигания, добавление коксовой крошки и др.) не является полностью независимым от других. Однако количество углерода в виде коксовой крошки, добавляемой в зеленую агломерационную загрузку, возможно является наиболее критичным для контроля, так как оно определяет поведение ложа при агломерации и также влияет на охлаждающие свойства в некоторой степени.

Обычно при слишком большом количестве углерода в агломерационной смеси ложе слишком сильно сплавляется и начинает замыкаться, препятствуя прохождению воздуха через ложе при фиксированном падении давности. Это в свою очередь приводит к длительным временам агломерации и низкой производительности. Напротив, слишком малое количество углерода в агломерационной смеси предотвращает адекватную агломерацию и увеличивает количество возвращаемой крошки из процесса, одновременно снижая выход. Испытания – лучший способ определить оптимальный процент углерода (коксовой крошки), необходимый для оптимизации процесса агломерации.

Во время испытаний для проектирования завода выбирают набор параметров на основе лучших доступных данных для конкретной зеленой агломерационной смеси. Количество добавленной коксовой крошки варьируют и эффективность агломерации оценивают по количеству крошки (минус 5 мм фракция), произведенной процессом (по сути неагломератированные материалы). В зависимости от соотношения входной к выходной крошки корректируют количество коксовой крошки.

Падение давления

Как указано ранее, распространение агломерационной реакции контролируется количеством углерода (коксовой крошки) и воздуха в системе, так как они обеспечивают энергию для реакции. Однако в агрегатных машинах трудно и непрактично контролировать поток воздуха через ложе, поэтому контролируют падение давления, а не поток воздуха. Количество воздуха, всасываемого через агломерационное ложе, зависит от проницаемости агломерационной смеси в ложе для конкретного падения давления и поэтому варьирует вдоль длины агрегатной тракции из-за изменений проницаемости. Падение давления через систему поддерживают постоянным на заранее заданном уровне за счет вакуума, создаваемого вытяжными вентиляторами газоочистной системы. Контроль отдельных всасывающих коробок возможен онлайн, но не нужен, за исключением тех, что под зажигательным колпаком. Зажигание происходит при 180–200 мм вод. ст., во многом независимо от глубины ложа, но агломерационные падения давления связаны с глубиной ложа.

Глубина ложа

Практически существует множество конфигураций агломерационного завода для любой заданной производительности, варьируя ширину, длину или глубину ложа, которые имеют немного разное влияние. Основной эффект более глубокого ложа связан с отношением между площадью поверхности и объемом произведенного агломерата. С увеличением глубины ложа отношение объема к площади растет, и следовательно ожидается меньше неагломератированных поверхностных частиц. Это обычно влияет на выход и коэффициент агломерационной крошки, но не обязательно на производительность.

Как правило, при условии регулировки падения давления, производительность не меняется, потому что при фиксированной вертикальной скорости агломерации (скорость горения через ложе, также известная как скорость пламени) требуется пропорциональное время для разных глубин ложа. Однако это может влиять на горизонтальную скорость агрегатной ленты, так как точка прогорания смещается со временем агломерации.

Обычно наблюдается, что агломерационная смесь работает заметно лучше с более глубоким ложем. Коэффициенты агломерационной крошки и скорости ленты для более глубокого ложа намного более приемлемы при сохранении требуемых производительностей. Дополнительное преимущество более глубокого ложа – в потреблении коксовой крошки, которое существенно снижается. Также обычно видно, что при увеличении высоты ложа существует некоторая гибкость в требуемом падении давления через ложе.

Время зажигания

Зажигание зеленой агломерационной загрузки осуществляется горелками, работающими на любом источнике топлива. Время зажигания не считается критическим параметром, пока коксовая крошка в верхнем слое достаточно подожжена для распространения реакции дальше через ложе. В зависимости от источника руды время зажигания может варьироваться от 0,5 до 2,0 минут, но обычно считается, что время зажигания 1,5 минут достаточно.

Температура зажигания

В отличие от времени зажигания, температура зажигания обычно считается критической. Температура при зажигании контролирует количество верхнего слоя и, как следствие, выход конечного продукта с тракции. Кроме того, она может влиять на качество конечного продукта (прочность), выход продукта и производительность. Дальнейшим, часто наблюдалось, что тепловой шок от слишком высоких температур зажигания приводит к образованию треск по всему агломерационному ложе, где обычно происходит короткое замыкание воздушного потока. В областях, смежных с этими трещинами, происходит неполная агломерация, что считается основной причиной низких выходов, низкой производительности и плохого качества агломерата.

Однако следует отметить, что температура зажигания и энергия, необходимая для зажигания, не являются одним и тем же и их не следует путать. Кроме того, эти два параметра идеально должны контролироваться индивидуально, что обычно трудно на агломерационном заводе.

Подслоенный слой

Подслоенный слой имеет в основном одну некритическую функцию – предотвратить повреждение тарелочных тележек и решеточных прутьев, вызванное сращением агломерационного пирога с подслоенным слоем. Наблюдалось, что некоторые агломерационные смеси из конкретных низкокачественных железных руд даже не требуют подслоенного слоя. Обычно ожидаются очень незначительные эффекты толщины подслоенного слоя и распределения размеров на проницаемость агломерационного пирога, но они остаются незначительными для всех практических целей. Однако существует одна опасение при эксплуатации агломерационного завода: может возникнуть сложность с непрерывностью поставки рециркулируемого подслоенного слоя. Иногда нет достаточного количества правильного диапазона размеров для поставки подслоенного слоя. В таком случае необходимо контролировать дробление агломерата ниже по агломерационному процессу.

Выход агломерата

Выход процесса агломерации обычно выражается как количество произведенного агломерата по сравнению с количеством сырья, загруженного в процесс. В зависимости от границы расчета (конец тракции или конечный продукт) результат расчета может отличаться. Выход по концу тракции указывает только на потери на сгорание (LOI) и пыль, всасываемую в вытяжную газовую систему, тогда как выход конечного продукта также учитывает генерацию мелкой фракции (менее 5 мм). На основе анализа входных материалов обычно ожидают LOI около 20% и выход агломерата по концу тракции 80%.

Производительность

Производительность или производительный индекс стал нормой, по которой оценивают мощность агломерационного завода, и обычно выражается как масса произведенного агломерата на квадратный метр активной площади подслоенного слоя в час. В некоторых местах выражают как массу агломерата на квадратный метр активной площади подслоенного слоя в сутки. Однако может быть путаница касательно определения активной площади подслоенного слоя, а также границы расчета (конец тракции по сравнению с конечным продуктом). Поэтому практично определить термины так:

• Граница расчета для массы произведенного агломерата – после конечных сортировочных грохотов, поэтому исключает ту крошку, которая рециркулируется в зеленую агломерационную загрузку, и игнорирует фракцию подслоенного слоя, которая считается непрерывно рециркулирующей нагрузкой.
• Активная площадь подслоенного слоя определяется как общая площадь, доступная для агломерации от входа в зажигательный колпак до точки прогорания. Нужно понимать, что если конкретный тип руды прогорает быстрее другой на той же тракции, это не автоматически означает, что производительность выше. Скорость ленты должна быть отрегулирована, чтобы сдвинуть точку прогорания к концу тракции, чтобы увеличить активную площадь тракции. Это в свою очередь увеличивает производительность.

Коэффициент агломерационной крошки

Коэффициент агломерационной крошки – параметр, определяющий эффективность процесса агломерации. Поэтому разумно стремиться к коэффициенту 1, в точке которого количество образованной крошки равно количеству, возвращенному в зеленую загрузку, и процесс находится в равновесии. В процессе агломерации коэффициент агломерационной крошки обычно допускают в диапазоне 0,95–1,05, что требует наличия буферного хранения.