Производство окисленных окатышей. Производство кокса.

Производство окатышей. Расширение использования бедных руд и особенно стремление к более глубокому обогащению их привели к получению тонкоизмельченных железорудных кон­центратов (менее 0,07 мм), для которых появилась необхо­димость найти новые пути окускования. В связи с этим на­чал развиваться так называемый процесс окатывания или окомкования. Процесс был опробован в нашей стране более 30 лет тому назад. Однако первые промышленные установки были созданы в США лишь в 1945-1955 гг. Этот процесс при­обретает особое значение, когда фабрику окускования кон­центратов приходится строить не на металлургическом заво­де. Объясняется это тем, что окатыши меньше разрушаются при перевозке, чем агломерат, особенно офлюсованный.

Процесс производства окатышей состоит из двух стадий: а) получения сырых (мокрых) окатышей; б) упрочнения ока­тышей (подсушка при 300-600 и обжиг при 1200-1350 °С).

Исходная шихта: возврат (некондицион­ные окатыши), концентрат и в случае производства офлюсо­ванных окатышей известняк подается в смесительный барабан. А после смешивания – в окомкователь или так называемый гранулятор. Для лучшего окомкования и обеспечения необходимой прочности к шихте добавляют свящующее вещество, обычно бентонит (мелкодисперсная гли­на) в количестве 0,5—1,5 % и воду в количестве 8—10 %. В грануляторе при круговом движении шихта при помощи связу­ющего вещества и воды постепенно превращается в гранулы – комки. При этом из гранулятора разгружаются только комки, достигшие определенного размера (шарики  диаметром 10—20 мм). На Рис. 2.9 показан тарельчатый гранулятор, являющийся одним из наиболее распространенных. Часто при­меняют также барабанный гранулятор, иногда конусный. Та­рельчатые грануляторы выпускают диаметром 5,5—7,0 м, они обеспечивают производитель­ность 125—150 т/ч. Оптималь­ных условий окатывания до­стигают подбором угла накло­на тарели (40—60°) и частоты вращения (6—9 об./мин).

Рис. 2.9. Тарельчатый окомкователь: 1 — конвейер уборки окатышей; 2 — чаша; 3 — конвейер подачи шихты; 4 — скребки

Сырые окатыши после гранулятора падают на обжиго­вую машину. Обычно применяют ленточную конвейерную маши­ну, подобную агломерацион­ной. Реже применяют для обжига окатышей другие агрегаты: шахтные печи, вращающиеся трубчатые печи, последовательно расположенные колосниковая решетка — вращающаяся трубча­тая печь.

У конвейерных машин ширина паллет составляет 3—4 м, рабочая площадь спекания 100—500 м² и производительность их равна 2500—9000 т/сут. Верх ленты перекрыт камерами в соответствии с делением на зоны сушки, обжига и охлажде­ния. Зона обжига составляет около 50 % от общей площади машины. В зоне сушки окатыши подогревают до 250—400 °С газами, поступающими из зон обжига и охлаждения. Циркуля­ция газов и удаление их в дымовую трубу осуществляются вентиляторами. В зонах обжига окатыши нагреваются до 1200—1350 °С продуктами горения газообразного или жидкого (мазута) топлива, просасываемыми через слой окатышей на колосниковой решетке машины. В зоне охлаждения окатыши охлаждаются принудительно подаваемым через колосниковую решетку воздухом. Охлажденные окатыши разгружаются на грохот. Фракцию > 5 мм отправляют для доменной плавки, а фракция 0—5 мм является возвратом. Время пребывания ока­тышей в зоне обжига равно 7—12 мин. Расход природного газа составляет 21—45 кг/т окатышей.

Основная цель обжига окатышей сводится к упрочнению их до такой степени, чтобы они в дальнейшем выдерживали транспортировку, перегрузки и доменную плавку без значи­тельных разрушений. При этом в отличие от агломерации нельзя доводить процесс до перехода значительной части шихты в жидкое состояние. Если не ограничить верхний пре­дел температуры (1320—1350 °С), то произойдет оплавление окатышей и сваривание их в крупные глыбы. В то же время понижение температуры обжига ниже 1200—1250 °С приводит к понижению прочности окатышей.

Обычно окомковывают магнетитовые концентраты. Основны­ми физико-химическими процессами при обжиге являются раз­ложение известняка, окисление магнетита, химические взаи­модействия с образованием легкоплавких фаз, упрочнение окатышей, удаление серы.

При обжиге офлюсованных окатышей идет разложение из­вестняка СаСО₃ с образованием СаО и поглощением тепла. Поскольку атмосфера в зоне обжига окислительная, при тем­пературах 900—1000 °С идет окисление магнетита до гемати­та: 2Fe₃O₄ + 0,5О₂ = 3Fe₂O₃, Обычно в окатыше обнаружи­вается периферийная гематитовая зона и центральная зона с остатками магнетита. При температурах 1200-1350 °С появ­ляется жидкая фаза из легкоплавких соединений, образую­щихся в результате химического взаимодействия составляю­щих шихты; в неофлюсованных окатышах это соединения из SiO₂ и Fe₂O₃, в офлюсованных — ферриты кальция СаО · Fe₂O₃ и 2СаО · Fe₂O₃.

Упрочнение окатышей (спекание частиц в прочную грану­лу) происходит преимущественно путем твердофазного (без участия жидкой фазы) спекания и отчасти путем жидкофазного. Первое заключается в том, что в результате нагрева поверхность частиц размягчается и в местах контакта друг с другом они спекаются (свариваются). Твердофазное спека­ние начинается при 800-900 °С, спекаются как гематит, так и магнетит. Жидкофазное спекание начинается при темпера­турах 1200—1350 °С, когда, как отмечалось, появляются участки жидкой фазы. Она смачивает твердые частицы и при затвердевании скрепляет их; при этом по сравнению с твердофазным спеканием повышается прочность окатышей, но не­сколько уменьшается их пористость. Оптимальное количество жидкой фазы составляет 12—20 %.

При обжиге сульфиды шихты (FeS₂, FeS) окисляются, а образующийся газообразный оксид SO₂ уносится газами; сте­пень удаления сульфидной серы из неофлюсованных окатышей составляет 95—99 %. При добавке известняка в шихту сте­пень десульфурации снижается, так как SO₂ связывается в соединение CaSO₄. Готовые неофлюсованные окатыши содержат < 0,003 % S, офлюсованные – 0,01 – 0,08 % S.

Свойства окатышей. В нашей стране производят неофлюсо­ванные окатыши и офлюсованные с основностью 0,4—1,25. Окатыши разных заводов содержат, %: Fe 58—67; SiO₂ 3,3-12; CaO 0,1-4,8; Al₂O₃ 0,2-1,1; MgO 0,2-1,1; S 0,001-0,08; P 0,007-0,01.

Крупность окатышей должна составлять 5—18 мм, допус­кается содержание не более 3 % фракций крупностью менее 5 мм.

Холодную прочность окатышей определяют по величине усилия, необходимого для раздавливания окатыша, и резуль­татам испытаний во вращающемся барабане, проводимых как и при испытании прочности агломерата. Усилие раздавливания составляет 1,5—2,5 кН на окатыш; барабанная проба (выход фракции крупностью более 5 мм) холодных окатышей состав­ляет 82—97 % при норме не менее 95 %.

Горячую прочность (прочность при восстановлении) опре­деляют по величине раздавливающего усилия восстановлен­ного до определенной степени горячего или охлажденного окатыша, и по газопроницаемости и усадке восстанавливае­мого слоя окатышей, находящихся под нагрузкой. Установле­но, что горячая прочность сильно снижается по мере вос­становления окатыша. Горячая прочность возрастает при увеличении плотности структуры окатыша, в частности, при обжиге с получением определенного количества жидкой фазы. Восстановимость определяется удельной поверхностью доступных для газа-восстановителя пор и размером окатыша. Наилучшая восстановимость у окатышей, обожженных при 1000—1150 °С с упрочнением по твердофазному механизму и с пористой неоплавленной структурой. Но из-за малой проч­ности таких окатышей обжиг ведут при 1200—1350 °С.  Появ­ление при таких температурах жидкой фазы и оплавленных участков в окатыше несколько снижает восстановимость. Восстановимость падает по мере роста диаметра окатышей и особенно резко при диаметре более 16—18 мм.

По сравнению с агломератом производство окатышей хара­ктеризуется меньшим отсевом мелочи, дополнительным расхо­дом топлива; у окатышей выше содержание железа и ниже ос­новность, а себестоимость их производства примерно одина­кова. Основным преимуществом окатышей является более вы­сокая холодная прочность, что позволяет транспортировать их на большие расстояния; однако их горячая прочность ни­же, и содержание мелочи в шахте печи при проплавке агло­мерата и окатышей выравнивается.

Металлизованные окатыши. В последнее время в доменном производстве опробованы металлизованные окатыши, в кото­рых часть оксидов железа восстановлена до железа. Повыше­ние степени металлизации окатышей на каждые 10 % обеспе­чивают снижение расхода кокса на 4,5 – 6 %  и увеличение производительности доменной печи на 5-7 %. На металлиза­цию расходуется топлива больше, чем кокса на восстановле­ние железа в доменной печи, но это более дешевое и менее дефицитное топливо, чем кокс (уголь, природный газ).

Производство кокса. Кокс получают сухой перегонкой (нагревом до 1100 °С без доступа воздуха) коксующихся каменных углей в коксовых печах, представляющих собой ка­меры из динасового кирпича высотой 5—7, длиной 15—17 и шириной 0,4—0,45 м; их объем составляет 30—42 м³. В каме­ру объемом 30 м³ загружают 22 т шихты.

Плоские камеры объединены в коксовые батареи (Рис. 2.10) по 60—80 параллельно расположенных камер. С торцов каждая камера герметично закрыта съемными дверями, а в своде ка­мер есть 3—4 люка для загрузки шихты из бункеров загру­зочного вагона 11. Производительность батареи достигает 2000 т/сут.

Коксовые печи отапливают доменным и коксовым газами, сжигаемыми в простенках между камерами — в вертикалах (Рис. 2.11). Для получения в вертика­лах  высокой температуры пламени (1400 °С) воздух и до­менный газ перед подачей в вертикалы нагревают в регене­раторах 1. Под каждым вертикалом расположено по два ре­генератора (камеры), которые заполнены решетчатой  кладкой из огнеупорного кирпича. В каждую пару регенераторов поочередно с интервалом в 20—30 мин то направляют из вертикалов горячие дымовые газы, на­гревающие насадку, то холодные воздух и доменный газ (раздельно), которые нагреваются, охлаждая насадку. Из регенераторов нагретые воздух и доменный газ поступают в вертикалы, а дымовые газы через борова уходят в трубу.

Рис.2.10. Общий вид коксовой батареи:

1 — приемный бункер для сырого каменного угля; 2 — конвейер, 3 — рампа вы­грузки охлажденного кокса; 4 – тушильный вагон; 5 — кокс; 6 — регенераторы; 7 — камера коксования; 8 — штанга коксовыталкиватееля; 9 — коксовыталкива­тель; 10 — отвод коксового газа; 11 — загрузочный вагон; 12 — распредели­тельная башня; 13 — тушильная башня; 14 — отделение для дробления и смеши­вания угля

Рис. 2.11. Схематический разрез коксовой батареи: 1 — регенераторы; 2 — обогре­ваемые вертикалы; 3 — обвод­ной канал; 4 — отверстия для загрузки шихты; 5 — камера коксования

Для коксования применяют коксовые, паровично-жирные, паровично-спекающиеся и газовые угли. Предварительно уголь дробят и обогащают для снижения зольности. Далее составляют шихту, смешивая разные угли в требуемом соот­ношении. Затем шихту подвергают окончательному дроблению и помолу и направляют в распределительную башню (Рис. 2.10, поз. 12). В шихте должны быть фракции размером менее 3 мм, так как это способствует получению кокса с меньшим количеством трещин.

Коксование загруженной в камеру порции шихты длится 14,5—16 ч. В процессе нагрева при температурах 350—500 °С происходит размягчение и плавление угля и начинается сильное выделение летучих веществ, которые вспучивают массу и делают ее пористой. При 500—600 °С масса интенсивно разлагается с выделением летучих; по мере их выделения в массе возрастает содержание углерода, увеличи­вается вязкость массы и она затвердевает, переходя в по­лукокс. При дальнейшем нагреве до 1100 °С выделяются все летучие, и аморфный углерод превращается в кристалличес­кий графит, обладающий высокой твердостью и прочностью. Коксовый пирог, открыв торцевые двери камеры, выталкивают (Рис. 2.10) с помощью штанги 8 коксовыталкивателя 9 в тушильный вагон 4, доставляющий кокс в башню 13, где его заливают водой, либо на установку сухого тушения, где кокс охлаждают потоком азота. После водяного тушения кокс из тушильного вагона через рампу 3 выгружают на конвейер 2, доставляющий кокс в доменный цех. Сухое тушение, внед­ряемое в последние годы, предпочтительнее по следующим причинам:

а) уменьшается растрескивание кокса, т.е. его потери в виде мелочи; б) снижается влажность кокса (0,5— 1,0 % вместо 2—5 % при тушении водой); в) тепло нагретого азота используется для выработки пара, а при тушении во­дой безвозвратно теряется.

Выделяющиеся из коксовой печи летучие ("грязный коксо­вый газ" в количестве 300—320 м³/т шихты) направляют в химические цехи, где из них извлекают смолы, аммиак и бензол, из которых при дальнейшей переработке получают до 500 других ценных продуктов (лаки, краски, растворители, лекарства, пек и др.). После химических цехов очищенный коксовый газ

содержит, %: 56-60 Н₂; 23-26 СН₄; 2-4 С_mН_n; 5—7 СО; 2—3 СО₂; 3—7 N₂. Его теплота сгорания составляет 16,8—18,4 МДж/м³. Газ используют в качестве топлива на металлургическом заводе.

Свойства кокса. Кокс содержит 83—88 % углерода; 8—13 % золы; 0,7—1,5 % летучих; 0,5—5 % влаги; 0,4—1,8 % серы; 0,02—0,05 % фосфора. Кокс хорошего качества светло-серого цвета и при ударе куска о кусок издает легкий звон. Удельное количество тепла при сгорании кокса 28000—31500 кДж/кг. Наряду с высокой теплотой сгорания кокс как доменное топливо должен обладать определенным комплексом свойств, эти основные свойства следующие:

— высокая прочность, чтобы кокс не был раздавлен стол­бом вышележащей шихты в печи и не истирался при движении от колошника до фурм, а также высокая термостойкость, чтобы он не растрескивался при нагреве. В случае измельчения в печи кокса сильно снижается газопроницаемость шихты. Прочность кокса определяют в барабане диаметром 1м и длиной 1 м, на внутренней поверхности которого по всей длине приварены четыре угловых профиля. Для истира­ния берут 50 кг кокса. Барабан вращается с частотой 25 об./мин в течение 4 мин. Затем кокс рассеивают на сите. Показателями прочности кокса служат величины выхода клас­са более 40 мм (показатель М40) и менее 10 мм (показатель М10), выраженные в процентах. Величина М40 должна состав­лять 72-82, а М10 8,5-10%;

— малое содержание золы, основными составляющими кото­рой являются SiO₂ и А1₂О₃. Для их ошлакования необходимо увеличивать расход флюса, что увеличивает количество шла­ка. Увеличение зольности кокса на 1 % вызывает снижение производительности печи на 1,3 % и увеличение расхода кокса на 1,3 %. Зола также снижает прочность кокса;

— неспекаемость в условиях доменного процесса;

— определенный размер кусков — от 25 до 60 мм; загру­жать в печь более мелкий кокс недопустимо, так как при этом ухудшается газопроницаемость шихты;

— малое содержание вредных примесей серы и фосфора. Содержание фосфора в коксе невелико — < 0,05 %. Для пере­вода при плавке поступающей с коксом серы в шлак необхо­димо увеличивать расход флюса, что ведет к снижению про­изводительности печи и увеличению  расхода кокса. Количес­тво серы в коксе определяется ее содержанием в исходном угле; кокс из кузнецких, печорских, карагандинских углей содержит 0,4—0,7% серы, кокс из донецких углей 1,4—1,8 %;

— малое и, что особенно   важно, постоянное содержание влаги. Неучитываемые колебания количества влаги во взвешиваемом коксе при его дозировании приводят к тому, что действительное количество поступающего в печь кокса будет отличаться от расчетного, а это нарушает заданный тепловой режим работы печи. При сухом тушении влажность кокса составляет 0,4—1 %, при тушении водой 2—5 %;

— высокая пористость, благодаря чему достигается высо­кая скорость сгорания кокса.  Обычно пористость кокса на­ходится в пределах 37—53 %.