Совершенствование технологии производства окатышей и нового железорудного сырья для современной доменной плавки: теория, технология и оборудование подготовки шихт и их окомкования в производстве окатышей. В 2 т. Т. 1


СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ОКАТЫШЕЙ И НОВОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ СОВРЕМЕННОЙ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ








        ТОМ 1


ТЕОРИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПОДГОТОВКИ ШИХТ И ИХ ОКОМКОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ОКАТЫШЕЙ













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 669.162.26
ББК 34.323
     С56




Авторы:
Ф. М. Журавлев, В. П. Лялюк, Н. И. Ступник, В. С. Моркун, Е. В. Чупринов, Д. А. Кассим

Рецензенты:
академик Академии инженерных наук Украины, заслуженный деятель науки и техники Украины, доктор технических наук, профессор В. А. Петренко; академик Академии горных наук Украины, лауреат премии НАН Украины, доктор технических наук, профессор И. Г. Товаровский;
профессор Национальной металлургической академии Украины, доктор технических наук В. В. Бочка





С56      Совершенствование технологии производства окатышей и ново       го железорудного сырья для современной доменной плавки. В 2 т.
       Т. 1 : Теория, технология и оборудование подготовки шихт и их окомко-вания в производстве окатышей / [Журавлев Ф. М. и др.] - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 332 с.
          ISBN 978-5-9729-0455-6 (Том 1)
          ISBN 978-5-9729-0457-0

      Высокие металлургические характеристики готового окускованного материала формируются в двух основных технологических этапах: подготовка сырых окатышей с необходимыми составами и свойствами и термоупрочнение сырых окатышей, обеспечивающее получение готового обожженного материала с нужными металлургическими характеристиками. В первом томе рассматриваются теория, технологии и оборудование для подготовки компонентов шихты с требуемыми физико-химическими характеристиками, их дозирование, смешивание, окомкование с получением сырых окатышей необходимого качества. Во втором томе рассматриваются теория, технологии и оборудование для термоупрочнения сырых окатышей или формирования новых видов окускованных материалов с нужными металлургическими характеристиками.
      Для студентов высших учебных заведений горно-металлургического и экономического профилей, а также специалистов черной металлургии и смежных с ней отраслей.

УДК 669.162.26
ББК 34.323




ISBN 978-5-9729-0455-6 (Том 1)  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
ISBN 978-5-9729-0457-0          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ВВЕДЕНИЕ


    Выплавка чугуна в доменных печах - основной и наиболее массовый и экономичный первоисточник получения черного металла для многих отраслей промышленности. Технологическая и экономическая эффективность работы доменных печей зависит от трех основных факторов: соответствующих современным требованиям доменной плавки компонентов шихты (топливной и железосодержащей), современных технологических процессов и параметров ведения доменной плавки, современного технологического оборудования, обеспечивающего эффективное поддержание и регулировку технологического процесса доменной печи. Если последние два фактора соответствуют современным требованиям процесса экономически целесообразной выплавки качественного чугуна, то компоненты доменной шихты, в особенности железосодержащая ее часть в отечественной металлургии, требуют улучшения.
    В настоящее время актуальным и наиболее эффективным направлением развития доменного производства, является улучшение подготовки сырья. Во всех промышленных странах капитальные вложения в подготовку сырья, которые быстрее всего окупаются, значительно превышают затраты на другие направления развития доменного производства. В первую очередь это относится к железосодержащему окускованному сырью, улучшение металлургических характеристик которого позволяет, кроме увеличения производительности доменных печей, существенно снизить удельный расход самого дорогого компонента шихты - металлургического кокса, а также себестоимость чугуна.
    В приведенных ниже данных показано влияние только одного (содержание железа) из 8-10 показателей металлургических характеристик железорудного окускованного сырья, влияющих на удельный расход кокса и технико-экономические показатели работы доменной печи и требующих объективного цифрового обоснования своего влияния на эффективность доменной плавки.

                                             + увеличение,      
       Факторы и единицы измерения            - уменьшение      
                                           расход   производи- 
                                          кокса, % тельность, %
Повышение содержания железа на каждый 1 %                      
(во всей шихте без кокса и СО2 флюса):                         
в пределах до 50 %                          -1,4       +2,4    
в пределах 50-55 %                          -1,2       +2,0    
в пределах 55-60 %                          -1,0       +1,7    

    Инициировать обязательный стандартный контроль и денежную оценку согласованных и обоснованных производителями и потребителями перечень и уровень отклонений каждого из показателей металлургических характеристик должны специалисты доменщики, так как только они определяют эффективность каждого показателя и получают от этого прибыль. Поставщики же желе

3

зорудной продукции на улучшение ее металлургических характеристик затрачивают средства и получают только убытки, поэтому не заинтересованы в их выполнении.
    Без теоретических представлений о механизме и кинетике формирования структуры и свойств железорудных окатышей невозможно наметить пути улучшения их качества, как сырья для доменной плавки. Эти знания позволяют целенаправленно формировать фазовый состав и металлургические характеристики окускованного железорудного материала для достижения оптимальных технико-экономических показателей работы доменных печей.
    Окатыши не по всем показателям металлургических характеристик удовлетворяют требования современной доменной плавки, поэтому как в отечественной, так и в зарубежной практике проводятся многочисленные исследования, разрабатываются, испытываются и внедряются новые и совершенствуются используемые технологические мероприятия, позволяющие улучшить их свойства для повышения эффективности производства и использования в доменной плавке.
    Для этой цели необходимо, во-первых, иметь общепринятые объективные методы оценки металлургических характеристик окускованного сырья в применении к технологии доменной плавки и, во-вторых, иметь технологически и экономически обоснованные требования к абсолютным значениям и пределам изменения каждого из показателей металлургических характеристик окускованного сырья.
    В 1-ом томе рассматривается комплекс методов оценки металлургических характеристик железорудного сырья доменной плавки, выполняемых по национальным стандартам и стандартам ISO, различающихся в основном только режимами в процессе восстановления материала (температурному и газовому). К сожалению, в известной отраслевой литературе нет обоснования и рекомендаций известных профессиональных специалистов об объективном количественном воздействии на показатели плавки результатов выполненных определений по национальным стандартам или стандартам ISO.
    При разработке методов ISO для объективной оценки стоимости разных типов железорудного сырья на основании комплекса их металлургических характеристик, необходимо разработать показатели, аналогичные разработанным по методам ГОСТ с учетом, при необходимости, принятых методов ISO и современных представлений об эффективности доменной плавки.
    В 1-ом томе также приведены используемые в промышленности и разработанные во многих странах новые образцы перспективного оборудования и технологии для усреднения, дробления, измельчения и обогащения руд, с целью улучшения физико-химических характеристик железорудных концентратов, для последующего их окускования. Приведены технические характеристики этого оборудования.
    Рассмотрены основные положения теории и технологии окомкования тон-коизмельченных компонентов шихты, получения сырых окатышей и окомкова-телей для их производства.

4

    Проанализировано влияние различных неорганических и органических связующих добавок на процесс окомкования шихты, свойства сырых окатышей, а также на свойства при их сушке и термоупрочнении. Определены оптимальные виды связующих добавок, положительные и отрицательные характеристики каждой добавки с точек зрения их получения и влияния на свойства сырых и обожженных окатышей.
    Во 2-ом томе проанализированы варианты технологии классификации по крупности сырых окатышей после их получения и перед термоупрочнением, а также варианты укладки в обжиговый агрегат. Приводятся технические характеристики используемого оборудования. Приведены технологические схемы и технологический анализ работы агрегатов (шахтные печи - ШП, обжиговые конвейерные машины - ОКМ, комбинированные установки “решетка - трубчатая печь - охладитель” - РТПО) для термоупрочнения сырых окатышей.
    Рассмотрена последовательность усовершенствования тепловых и конструктивных характеристик отечественных ОКМ от первого до четвертого поколений, в результате чего, в сравнимых режимах термоупрочнения, их удельная производительность увеличилась на 27,7 %, удельный расход тепла снизился на 75,9 %, а удельный расход электроэнергии снизился на 12,3 %.
    Показано преимущество по удельной производительности, удельным расходам энергоресурсов и качеству готовой продукции обжиговой конвейерной машины ОКМ-592 третьего поколения с двумя (один центральный и два боковых) переточными коллекторами рекуперируемого теплоносителя и спроектированной ОКМ-780 четвертого поколения с двухслойной укладкой сырых окатышей, зонами сушки сырых окатышей только прососом и двумя (один центральный и два боковых) переточными коллекторами рекуперируемого теплоносителя.
    Рассмотрены основные закономерности газодинамики при движении газа в газоходах и в слое обжигаемых окатышей, а также тепло- и массообмен между газом и окатышами в агрегатах для их термоупрочнения. Приведены материальный и тепловой балансы процесса термоупрочнения окатышей.
    Рассмотрены основные закономерности сушки одиночного сырого окатыша и в слое при просасывании или продувании сквозь него теплоносителя. Показаны условия переувлажнения окатышей при сушке слоя, влекущие к ухудшению его газопроницаемости и качеству окатышей. Реверсивная сушка слоя: сначала продув теплоносителя снизу вверх, а затем просос сверху вниз позволяет исключить это явление, однако при практическом осуществлении этого мероприятия снижается скорость фильтрации теплоносителя через слой за счет его перетока, минуя слой на границе реверса газовых потоков.
    Завершенность физико-химических и фазовых превращений, а также структуры неофлюсованных и офлюсованных окатышей на стадии твердофазного взаимодействия основных составляющих компонентов шихты, имеют важное значение для формирования окончательных минерального состава, микроструктуры и металлургических характеристик обожженных окатышей.

5

    В связи с распространением, по разным причинам, использования в доменной плавке неофлюсованных окатышей, необходимо учитывать влияние минерального состава нерудной части концентрата на металлургические характеристики на разных стадиях переработки окатышей: перегрузки, хранение, транспортирование и восстановление в печи. В случае использования в доменной плавке офлюсованных окатышей, решающее влияние на их производство и свойства при восстановлении оказывают глубина обогащения концентрата, величина основности и вид применяемого флюса.
    Традиционные окускованные железорудные материалы для доменной плавки (агломерат и окатыши) имеют ряд существенных преимуществ перед богатой кусковой рудой. Однако, каждый из них имеет свои существенные отрицательные характеристики.
    Во 2-ом томе также приведены новые разработанные технологии производства железорудных окускованных материалов для доменной плавки, каждый из которых имеет комплекс положительных металлургических характеристик агломерата и окатышей, а также дополнительные (повышенное содержание железа или остаточный углерод) полезные для доменной плавки свойства. Разработана новая технология получения железорудного окускованного моносырья для доменной плавки, со всеми указанными положительными металлургическими характеристиками.
    Большой вклад в создание и развитие отечественных научных исследований и разработок в технологии получения железорудных окатышей, создания и совершенствования основного технологического оборудования, а также промышленного освоения производства нового вида сырья для доменной плавки -обожженных окатышей, внесли ученые научно-исследовательских и учебных институтов: Механобр, Механобрчермет и его Белгородский филиал, Уралме-ханобр, ВНИИМТ, ИЧМ НАНУ, НМетАУ, МИСИС, ИМет им. А.А. Байкова АН СССР, Уральский политехнический институт, Томский университет; создатели основного технологического оборудования: УЗТМ и работники цехов по производству окатышей горнообогатительных комбинатов: ССГОК, ЦГОК, СевГОК, ЛебГОК, КачГОК, МихГОК, ПГОК, КостГОК, ОЭМК. Основной вклад в разработку, совершенствование и наладку работы теплотехнических схем отечественных обжиговых конвейерных машин всех поколений внесли ведущие Уральские теплотехники.
    Приведенные в двух томах технологические и конструктивные разработки, выполненные авторами книги, посвящены рассмотрению и решению важных проблем в производстве окускованного железорудного материала для доменной плавки.

6

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛА

    Чугун и сталь были, есть и будут в обозримом будущем основными материалами для создания оборудования, машин, механизмов, различной техники и т.п., а все это, в основном, изготавливается из стали. Сталь же выплавляют из чугуна, а чугун - из железосодержащего сырья (руды, агломерата и окатышей).
    В 2015-2016 годах количество произведенного железорудного сырья и выплавленного из него металла в мире и некоторых странах приведено в табл. 1.
    Получение металла есть совокупность ряда самостоятельных, сложных технологических процессов, находящихся во взаимовлиянии [1-3]. К ним относятся следующие процессы: добыча руд (богатых и бедных), их усреднение по химическому составу и крупности, подготовка по крупности для дальнейшего обогащения, получение железорудных концентратов с повышенным содержанием железа, окускование руд и концентратов, выплавка чугуна (коксовая и бескоксовая), выплавка стали и получение металлопроката для изготовления оборудования (рис. 1).
    Традиционный комплекс металлургических процессов в черной металлургии включает в себя: подготовку компонентов шихты для выплавки чугуна, выплавку жидкого чугуна в доменной печи, выплавку стали в сталеплавильных агрегатах (кислородные конвертеры, мартеновские печи, электропечи), производство проката.
    Шихта доменной плавки состоит из трех основных компонентов: железосодержащей части (агломерат, окатыши, кусковая руда); флюса кускового (известняк, доломитизированный известняк) и твердого топлива (кокс, антрацит). Эти материалы загружаются в доменную печь одновременно в определенных соотношениях и последовательности.
    Основной принцип доменной плавки - это восстановление оксидов железа из железосодержащих кусковых материалов в противоточном их движении (сверху вниз) и горячих восстановительных газов (снизу вверх).
    Основная задача доменной плавки - обеспечение равномерного (по сечению печи) опускания материалов (твердых, размягченных и жидких) и их обработка восстановительными газами в условиях значительного подпора восходящих со скоростью 5-15 м/с газов при непрерывном возрастании температуры в печи сверху вниз от 250-350 °С до 1500-1650 °С. Скорость опускания материала в разных участках сечения доменной печи колеблется в пределах 20140 мм/мин.
    Процесс получения металла из его оксидов - это восстановительный процесс. Основными восстановителями в доменной печи являются оксид углерода, водород и углерод кокса. Исходя из величины сродства к кислороду восстановителей и восстанавливаемых оксидов, их восстановление начинается при разных температурах. Оксиды металлов, попадающие в доменную печь разделяют на:
    а)     практически полностью восстанавливающиеся (Fe, Ni, Co, Pb, Cu, P, Zn и др.);

7

Таблица 1. Запасы и добыча руд и металла, млн. т. год

             Мировые        Добыто    Выплавлено**  
 Страна   подтвержденные   богатых и               
            запасы руд    бедных руд* Чугуна Стали 
            т       %                              
Китай     20800   10,46     1381,3    700,7  808,4 
Япония      0       0          0       80,2  104,8 
США        6400    3,22      43,1      22,3   78,5 
Россия    67700   34,04      101,9     51,8   70,8 
Украина   25600   12,87      81,9      23,6   24,2 
Индия     20000   10,05      142,5     63,7   95,5 
Бразилия  10800    5,43      422,5      26    31,2 
Австралия 17600    8,85      811,2     3,6    5,3  
Канада     9600    4,83      45,9      6,2    12,6 
Франция    3700    1,86       н/д      9,7    14,4 
Швеция     3200    1,61      24,6      3,1    4,62 
Остальные 13500    6,78       н/д      н.д.   н.д. 
Мировое   198900  100,0     2006,3    1165,0 1628,0

* Данные Ассоциации производителей стали (2015 г.).

** Данные Ассоциации производителей стали (2016 г.).

Богатая руда
Fe=60-70%

Рядовая руда
Fe=45-55%

Бедная руда
Fe=25-40%

Склад., yep.

Склад., yep.

Склад., yep.

Гравит. обогащ

|, Магнитная сепарация |

Црво домен, окат.

)-ВО

Бескоксов. выпл. чуг.

Складирование, усредн., грохочение

Отгрузка потребителю

Складирование, редн., грохочение ис⁸

Fe=65-68%

| Сгущение |

Фильтрация

II

| Сталеплавильное пр-во |

     Прокат

| Машиностроение |






Сталеплавильное пр
I т
      Прокат

| Машиностроение"^

Рис 1. Технологическая схема производства металла

9

    б)     частично восстанавливающиеся (Si, Mn, Cr, V, Ti и др);
    в)     не восстанавливающиеся (Ca, Mg, Al, Ba и др.).
    Процесс восстановления основного элемента (железа) в доменной печи идет с постепенным отщеплением кислорода и переходом оксидов от высших степеней окисленности к низшим по следующим схемам - при температурах ниже 570 °C:
Fe';O; > Fe3O4 > Рвмет            (1.1)
при температурах выше 570 °C:
Fe;O; > Fe;O4 > FeO > Feмет         (1.2)
    Параллельно с процессом восстановления железа из оксидов в шахте доменной печи идет сложный процесс формирования шлаков, которому предшествует взаимодействие минералогических компонентов шихты в твердой фазе. Формированию шлаков способствует флюс (известняк, доломитизированный известняк), вводимый в доменную печь как отдельно, так и в составе железосодержащей (агломерат и окатыши) части шихты. Кусковый флюс, при опускании в доменной печи проходит стадию декарбонизации (при температурах 450-950 °C) и взаимодействия с оксидами железорудной части шихты: оксидами железа и пустой породы.
    В нижней части шахты печи происходит размягчение и плавление первичного шлака, состав которого существенно отличается от конечного за счет взаимодействия с компонентами шихты при стекании в горн. В шлак переходят не восстановившиеся оксиды пустой породы рудной части шихты (SiO₂, Al₂O₃) и оксиды флюсов (CaO, MgO). При размягчении шлаков снижается газопроницаемость столба шихты в доменной печи. Поэтому, чем богаче железорудная часть шихты оксидами железа и меньше в ней пустой породы, тем лучше газопроницаемость столба шихты в зонах шлакообразования. Расплавленный шлак стекает в горн печи и выпускается через чугунную летку вместе с чугуном в главный желоб и по шлаковым канавам отводится либо на гранустановку либо сливается в шлаковозные ковши.
    Восстановленное из железорудной части в твердой фазе металлическое железо по мере опускания и дальнейшего нагрева растворяет в себе углерод в увеличивающемся количестве. При этом температура плавления его снижается, металл плавится и в виде капель стекает в горн. В горне чугун накапливается и выпускается из печи через чугунные летки в чугуновозные ковши.
    В компонентах шихты доменной плавки имеются элементы, отрицательно влияющие как на технологию доменной плавки (Na, K, Zn) так и на качество чугуна и стали (S, P, Pb, Cu). Из указанных выше вредных элементов в доменной плавке удаляется только сера. Причем, в зависимости от марки выплавляемого чугуна, сера с газовой фазой из печи удаляется: при производстве передельного чугуна 5-10 %; литейного - 15-20 %; ферросплавов - до 40 %. Остальное количество се
10