СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОВОССТАНОВИМОГО НИЗКОЗАКИСНОГО ОФМОСОВАННОГО АГЛОМЕРАТА Российский патент 1994 года по МПК C22B1/16 

Изобретение относится к термическому окускованию железных руд и концентратов, и может быть использовано при агломерации руд и концентратов цветных металлов.

Известен способ подготовки твердого углеродистого топлива для целей агломерации железных руд, по которому топливо смешивают с флюсом, увлажняют и окомковывают. Флюс, например, известняк имеет крупность 0,2-0,5 мм. К топливу его добавляют в количестве 5-20% [1] .

Недостатком этого способа является его низкая эффективность в реализации поставленной цели: в повышении эффективности агломерационного процесса. Причиной этому является то обстоятельство, что оба материала - и твердое углеродистое топливо и известняк относятся к категории плохо комкуемых материалов. Поэтому гранулы из них непрочные и при смешивании со всей остальной шихтой практически полностью разрушаются. В результате остается влияние лишь фактора крупности известняка и топлива. Тот факт, что они измельчены более мелко - меньше 0,2-0,5 мм - оказывает положительное влияние на качество агломерата. Однако известно, что крупность обоих материалов является оптимальной величиной и снижение размеров частиц меньше 0,2-0,5 мм выходит за пределы оптимума. Особенно отрицательно на показатели спекания сказывается переизмельчение топлива. Это приводит к увеличению удельного расхода топлива и снижению вертикальной скорости спекания.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемой цели является способ [2] . Суть этого способа заключается в следующем. В агломерационную шихту перед ее первичным смешиванием вводят предварительно гранулированную смесь, содержащую Al₂O₃ и MgO в отношении 0,1-0,6 и твердое топливо в количестве, обеспечивающем 0,5-10% углерода в смеси. Основность этой смеси составляет 2,5-7. Все компоненты смеси - железная руда с глиноземистой породой, сырые флюсы и твердое углеродистое топливо - совместно измельчают в дробилке ударного действия до крупности менее 1 мм, а затем гранулируют в окомкователе. При использовании марганцевой руды ее добавляют в эту же смесь в количестве, обеспечивающем отношение в смеси SiO₂/MnO равное 2-5. Расход предварительно гранулированной смеси составляет 30-100% от массы потребных флюсов.

Недостатки этого способа заключаются в следующем.

Во-первых, регламентация состава смеси по большому количеству химических соединений в виде отношений Al₂O₃/MgO и CaO/SiO₂ при содержании С_т в пределах 0,5-10% предопределяет вполне определенное соотношение состава железорудной части шихты, а именно, обязательное использование глиноземистой железной руды. Во-вторых, вывод железной руды из основного шихтового потока и использование ее в виде флюсовой добавки усложняет регулирование основности агломерата при соблюдении баланса по рудным компонентам. В-третьих, реализация способа требует существенной реконструкции всей технологической схемы подготовки шихты к спеканию. По сути требуется дополнительная технологическая линия, включающая отделения дозировки (бункеры, питатели и весоизмерители), измельчения и грануляции. После ввода в шихтовый поток гранулированной смеси операции смешения и окомкования повторяют. Все это значительно увеличивает удельные капитальные затраты.

Задачей изобретения является получение агломерата с высокими свойствами по прочности и восстановимости без значительных усложнений технологических потоков подготовки шихты к спеканию. Реализация заявляемого способа обеспечивает получение агломерата с восстановимостью на 30-55% выше, чем обычного агломерата и на 22-30% выше, чем агломерата, полученного по прототипу. Расход топлива на спекание снижается на 10-15% .

Проплавка агломерата, полученного по предлагаемому способу, в доменных печах снижает удельный расход кокса на выплавку 1 т чугуна на 5-10 кг.

Применение предлагаемого способа обеспечивает снижение вредных выбросов в атмосферу с отходящими газами оксидов углерода, серы и азота.

Существенные признаки, характеризующие изобретение.

Совместное измельчение 100% сырых флюсов - известняка, доломита, доломитизированного известняка и части твердого углеродистого топлива - коксика, антрацита, каменного и бурого углей.

Количество твердого углеродистого топлива в смеси рассчитывают по формуле
m_т= P, кг/кг (1) где m_т - количество топлива в смеси, кг (сух) на 1 кг (сух) флюса;
k - коэффициент, учитывающий активную поверхность частиц топлива, занятую СО₂ от карбонатов, равный 0,30-0,50;
12 - мольная (моль) масса углерода, кг;
44 - мольная (моль) масса СО₂, кг;
С_т - содержание углерода в топливе, % ;
P_CO2 - количество СО₂ в 1 кг измельчаемых флюсов, кг.

Смесь сырых флюсов и твердого углеродистого топлива измельчают в дробильно-размольных агрегатах активного ударного действия - в молотковых или роторных дробилках, в дезинтеграторах или в их комбинации: сначала в молотковых или роторных дробилках, потом в дезинтеграторах или дисмембраторах.

Крупность измельченного материала составляет: максимальный размер - не более 3 мм; содержание фракции меньше 0,10 мм - 20-50 % .

Влажность смеси регулируют путем ввода негашеной извести из расчета, чтобы количество гигроскопической воды в смеси не превышало 7% . Известь вводят до измельчения в количестве 3,12 кг на 1 кг воды в смеси.

После измельчения смесь представляет собой сыпучий порошок.

Тепловой режим спекания регулируют расходом топлива, не подвергнутого совместному измельчению. Расход топлива задают, исходя из условия, чтобы содержание FeO в агломерате не превышало 9-10% .

Признаки, отличительные от прототипа [2] .

Для приготовления совместно измельченной смеси не используют железную глиноземистую руду. Химический состав смеси не регламентируют. Соотношение между сырыми флюсами и твердым топливом устанавливают на основании стехиометрических отношений между углеродом и СО₂ карбонатов с учетом доли активной поверхности частиц топлива.

Технология приготовления смеси состоит из одной технологической операции - измельчения (если даже она реализуется в две стадии). Здесь отсутствует операция грануляции смеси, которая требует специального оборудования.

Влажность смеси регулируют путем ввода негашеной извести.

Влажность смеси не превышает 7% .

Крупность измельченной смеси: максимальный размер частиц - 3 мм, содержание фракции меньше 0,10 мм - 20-50% .

Тепловой режим спекания регламентируют по содержанию FeO в агломерате - не более 9-10% .

Признаки, достаточные во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
100% сырых флюсов, представленных карбонатными горными породами, и часть твердого углеродистого топлива совместно измельчают в агрегатах активного ударного действия.

Количество топлива в смеси рассчитывают по вышеприведенной формуле (1).

Влажность смеси регулируют с помощью негашеной извести, путем ввода ее до измельчения в количестве 3,12 кг CaO_св на 1 кг воды в смеси сверх 7% .

Крупность измельченной смеси: максимальный размер частиц - 3 мм, содержание фракции меньше 0,10 мм - 20-50 % .

Тепловой режим спекания шихты регулируют путем расхода топлива, не подвергнутого совместному измельчению, исходя из условия, чтобы содержание FeO в агломерате не превышало 9-10% .

В основу предлагаемого способа положены термодинамические и кинетические особенности реакций образования диоксида углерода (СО₂) из карбонатных пород и взаимодействие его с твердым углеродом (реакция Будуара).

МеСО₃ -> МеО + СО₂ - Q (2)
С + СО₂ -> 2СО - Q (3)
Как видно из этих реакций, совместное протекание процессов разложения карбонатов и взаимодействия выделившегося СО₂ с твердым углеродом, сопряжено с увеличением в два раза объема газа и поглощением большого количества тепла. Например, образование 1 кг СО₂ из кальцита (СаСО₃) и последующее превращение его в СО поглощает 31,41 МДж тепла.

+ 1000 = 3141, кДж, (4) где 1206,6 и 175,8 - тепловые эффекты реакций (1) и (2).

При обычной технологии подготовки шихты к спеканию реакция (3) практически не имеет места в спекаемом слое. Большое количество свободного кислорода в фильтрующемся газе практически исключает горение углерода за счет СО₂. Эффективность столкновения для реакции (3) имеет максимум 2,5 х 10^-7 при 1280^оС. По сравнению с соответствующим числом для реакции С + О² (7,5 х 10^-4) эта величина очень мала. Следовательно, даже при температуре 1280-1300^оС, когда разложение карбонатов уже давно закончилось, реакция (3) не получает должного развития.

Подготовка шихты по способу [2] несколько улучшает условия для совмещения обеих реакций, поскольку флюсы и топливо агрегированы в гранулы. Однако состав гранул подобран таким, что температура их размягчения оказывается ниже температуры, когда реакция (3) принимает интенсивное развитие. К тому же режим совместного измельчения не регламентирует размеры активной поверхности частиц топлива. Вследствие этого газификация за счет СО₂ не достигает таких масштабов, чтобы максимальное количество СО₂, выделившееся в результате диссоциации карбонатов, превратить в СО.

Предлагаемый способ обеспечивает максимальное совмещение реакций (2) и (3) и вследствие этого процесс диссоциации карбонатов представляет как химический газогенератор, в котором объем газов возрастает в два раза:
МеСО₃ -> СО_2-> 2СО (5)
Физико-химическая сущность предлагаемого способа выражается в том, что благодаря заданным параметрам совместного измельчения карбонатных пород и топлива, максимальная скорость реакции газификации углерода (3) смещается в область температур на 100-200^оС ниже (1100-1200^оС), чем при обычной технологии подготовки шихты к спеканию (≥1300^оС).

Указанный интервал температур соответствует размягчению шихты, образованию расплава и началу формирования агломерата. Газ, образовавшийся в результате процессов, схематически представленных в виде реакций (5), фильтруется через расплав и одновременно его охлаждает. Благодаря этому образуется своеобразная текстура агломерата, в полной мере соответствующая понятию равномерно пористой, пронизанную мелкими порами самой разной формы: пузырьковой с рваными краями, округлой и эллипсоидальной.

Регламентация предлагаемого способа по содержанию FеO имеет целью оптимизацию температурно-теплового режима спекания, поскольку содержание FeO зависит от расхода топлива. Требование по содержанию FeO не выше 9-10% отвечает граничному условию по температурно-тепловому режиму спекания, превышение которого препятствует образованию однородной пористой текстуры агломерата с высокой восстановимостью.

Регламентация влажности смеси в пределах не больше 7% обеспечивает сыпучесть измельченной смеси, обуславливающую соответствующую транспортируемость и не вызывающую особых затруднений при смешивании с шихтой. Кроме того, увеличение влажности отрицательно влияет на скорость реакции газификации углерода по реакции (3). Нижний предел по влажности не задают, т. к. преимущества поверхностной активации минеральных веществ перекрываются затратами на сушку.

Заданный режим измельчения в виде указания способа совместного измельчения (в агрегатах активного ударного действия) и крупности измельченной смеси (максимальный размер частиц 3 мм и содержание фракции меньше 0,10 мм 20-30 % ) обеспечивает образование коагуляционных структур в виде сцепленных частиц топлива и флюсов, которые не распадаются при механических воздействиях на стадиях смешивания шихты и ее окомкования.

Совместное измельчение флюсов и топлива в агрегатах активного ударного действия увеличивает запас свободной энергии смеси и образует новые поверхности частиц топлива с локальными "сгустками" энергии, благоприятствующие физической адсорбции и хемосорбции молекул СО₂. Установлено, что взаимодействие углерода с СО₂ активно протекает только на 1/3 поверхности (37-48% ), которая постоянно занята продуктами реакции. В связи с этим в формулу для расчета количества топлива в смеси введен коэффициент k, равный 0,30-0,50. На эту величину (30-50% ) количество топлива превышает стехиометрическое соотношение, вытекающее из реакции (3).

В комплексе параметры предлагаемого способа образуют вполне определенные условия формирования вещества агломерата со структурными и текстурными характеристиками, обусловливающими его высокие металлургические качества. Конкретно они выражаются в увеличении восстановимости на 30-55% . Реализация технологии позволяет снизить расход топлива на 10-15% при сохранении механической прочности и улучшении гранулометрического состава - в годном продукте увеличивается содержание кл. 12-40 мм до 75% .

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Отделение дробления сырых флюсов оснащают бункерами, питателями и дозировочными средствами для топлива. Потоки сырых флюсов дооснащают дозировочными средствами. Сырые флюсы и твердое углеродистое топлива в заданном соотношении согласно формуле направляют на измельчение в молотковые дробилки с шарнирно подвешенными молотками. Дробилками такого рода оснащены практически все аглофабрики мира. Необходимо лишь предусмотреть, чтобы скорость вращения ротора превышала 900 об/мин. Поскольку требуется тонкое измельчение, то необходимо, чтобы дробилка работала в замкнутом цикле с контрольным грохочением.

Способ предусматривает две схемы измельчения: одностадийную и двухстадийную. По одностадийной схеме измельчение осуществляют в молотковых роторных дробилках с шарнирно подвешенными молотками.

При двухстадийной схеме измельчение осуществляют в молотковых роторных дробилках с шарнирно подвешенными молотками (I-я стадия) и дезинтеграторах или дисмембраторах (II-я стадия). На первой стадии смесь измельчают до крупности меньше 5 мм при содержании фракции менее 0,10 мм - 10-20% . При измельчении в дезинтеграторе или дисмембраторе крупность смесь доводят до требуемого уровня: меньше 3 мм при содержании фракции менее 0,10 мм 20-50% .

После измельчения смесь готова к использованию в шихте. Расход совместно измельченной смеси в шихту рассчитывают, исходя из основности агломерата подобно тому, как это делают для обычного флюса. Тепловой режим спекания регулируют изменением расхода топлива, не подвергнутого совместному измельчению.

П р и м е р. 1. Расход флюсов - 120 кг (сух)/т агломерата. Состав флюсов: 70% известняка и 30% доломита. Влажность флюсов - 5,5% . Вид твердого углеродистого топлива - коксик. Влажность коксика - 11,5% . Расход коксика - 60,0 кг (сух)/т агломерата.

Определение количества СО₂ в 1 кг флюсов
P= 0,7×0,94 + 0,3×0,93 = 0,422,422, кг, где 0,7 - количество известняка в 1 кг флюсов, кг;
0,3 - количество доломита в 1 кг флюсов, кг;
0,94 и 0,93 - содержание кальцита и доломита в известняке и в доломите, соответственно, доли;
и - массовое соотношение молей СО₂ в общей молекулярной массе кальцита (СаСО₃) и доломита (СаMg(CO₃)₂).

Расчет количества топлива
m_т= × 0,422 × = × 0,148 , кг, где 78 - содержание углерода в коксике, % .

В зависимости от значения коэффициента k, отражающего активную поверхность частиц топлива, расход топлива на совместное измельчение составляет (сухой) 0,296-0,492 кг/кг флюсов (сух. ).

На 1 т агломерата приходится 120 кг флюсов (смесь известняка и доломита) и 35,5-59,0 кг коксика.

Рассчитанные значения количества топлива в смеси представляют собой граничные величины, за пределами которых эффект от совместного измельчения теряется. В производственных условиях целесообразно минимальную величину использовать как начальную при внедрении новой технологии. По мере ее освоения количество топлива в смеси увеличивают до верхнего предела. Абсолютная величина содержания топлива в смеси определяется стабильностью технологического режима агломерационного процесса в целом. При стабильном технологическом режиме, исключающем резкие колебания по затратам тепла на процесс спекания, количество топлива в смеси достигает максимума, рассчитанного по формуле.

Корректировка по влажности.

Принимаем расход коксика на совместное измельчение с флюсами равным (на 1 т агломерата)
(35,5 + 59,0) /2 = 47,25 кг.

С этим количеством коксика поступает воды
m_W^T = (47,25 х 11,5)/88,5 = 6,14 кг.

Количество воды во флюсах
m_W^Фл = (120 х 5,5) / 94,5 = 6,98 кг.

Общее количество влажной совместно измельченной смеси равно (кг/т агломерата).

120,0 + 47,25 + 6,14 + 6,98 = 180,37 кг.

Влажность смеси равна
W = 100 = 7,27% .

Избыточная влажность составляет 0,27% . По массе это соответствует
= 0,487 кг.

Для химического связывания этого количества воды требуется извести
m_и = 0,487 х 3,12 / 0,88 = 1,726 кг, где 0,88 - содержание СаО_св в извести, доли.

Таким образом, состав совместно измельчаемой смеси равен (влажн. кг на 1 т агломерата):
Флюсы (смесь известняка и доломита) - 120 + 6,98 = 136,98 кг;
Топливо (коксик) 47,25 + 6,14 = 53,39 кг;
Известь 1,726 кг
И т о г о 192,10 кг. (56) Авторское свидетельство СССР N 789611, кл. С 22 В 1/00, 1981.

Авторское свидетельство СССР N 1611956, кл. С 22 В 1/16, 1990.

Использование: изобретение относится к термическому окускованию железных руд и концентратов и может быть использовано при агломерации в цветной металлургии. Сущность: 100% флюсов, вводимых в виде карбонатных пород, и часть твердого углеродистого топлива совместно измельчают в агрегатах активного ударного действия для крупности меньше 3 мм при содержании фракции менее 0,10 мм 20 - 50% . Количество топлива в смеси расчитывают по формуле , где m_т - количество топлива в смеси, кг(сух. )/кг(сух. ) флюсов, K - коэффициент, учитывающий активную поверхность частиц топлива, равный 0,30 - 0,50; 12/44 - массовое отношение углерода и CO₂ в молях, C_т - содержание углерода в топливе, - количество CO₂ в 1 кг флюсов, кг. Влажность смеси регулируют путем ввода негашеной извести. 1 з. п. ф-лы.

1. СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОВОССТАНОВИМОГО НИЗКОЗАКИСНОГО ОФЛЮСОВАННОГО АГЛОМЕРАТА, включающий совместное измельчение в агрегатах ударного действия части компонентов агломерационной шихты, включая флюсы и топливо, отличающийся тем, что 100% флюсов, вводимых в виде карбонатных горных пород, и часть твердого углеродистого топлива в количестве
m_т= P, кг/
где m_т - количество топлива в смеси, кг (сух)/кг (сух) флюсов;
k - коэффициент, учитывающий активную поверхность частиц топлива, равный 0,30 - 0,50;
12/44 - массовое отношение углерода и СО₂ в молях;
С_т - содержание углерода в топливе, % ;
P_CO2 - количество СО₂ в 1 кг флюсов, кг,
совместно измельчают в агрегатах активного ударного измельчения до крупности меньше 3 мм при содержании фракции менее 0,10 мм 20 - 50% и регулируют влажность смеси путем ввода в смесь до измельчения негашеной извести из расчета 3,12 кг СаО на 1 кг воды сверх 7% . 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измельчение смеси осуществляют в две стадии, при этом на первой смесь измельчают в молотковых дробилках с шарнирно подвешенными молотками до крупности меньше 5 мм при содержании фракции менее 0,10 мм 10 - 20% , а на второй стадии смесь доводят до крупности меньше 3 мм при содержании фракции менее 0,10 мм 20 - 50% путем измельчения в дезинтеграторе или дисмембраторе.