Зеленые технологии в современном окусковании

В. М. Чижикова, А. М. Бижанов








                ЗЕЛЕНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОМ ОКУСКОВАНИИ




(GREEN TECHNOLOGIES in MODERN AGGLOMERATION)

Учебник









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 669
ББК 34.3
     4-59

Рецензенты:
Валавин Валерий Сергеевич, д. т. н., руководитель научного Центра «Ромелт» НИТУ МИСИС;
Загайнов Сергей Александрович, д. т. н., профессор кафедры металлургии железа и сплавов Уральского федерального университета;
Павлов Александр Васильевич, д. т. н., профессор кафедры металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов НИТУ МИСИС






      Чижикова, В. М.
4-59      Зеленые технологии в современном окусковании : учебник / В. М. 4ижикова, А. М. Бижа-
      нов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 464 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1464-7

           Приведены научно-технические аспекты технологии окускования в целом, включающей и широко применяемые в практике техники агломерации и производства окатышей, а также современные технологии брикетирования. Отражены наиболее значимые для технологий окускования вехи, в том числе, в отношении отчасти забытых или невостребованных идей, гипотез, технических решений, сохранивших актуальность до настоящего времени, с акцентом на опыт повышения качества агломерата и окатышей, ресурсоэффективности, обеспечения экологической безопасности производства окускованного сырья.
           Адресовано студентам, обучающимся по направлению «Металлургия». Может быть полезно магистрантам, аспирантам, преподавателям высших учебных заведений металлургического или политехнического профиля, а также инженерно-техническим работникам и персоналу металлургических предприятий, научным сотрудникам.

УДК 669
ББК 34.3











ISBN 978-5-9729-1464-7

              © 4ижикова В. М., Бижанов А. М., 2023
              © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                    © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие....................................................................8
Введение......................................................................10
Литература....................................................................13

1. Агломерационный процесс....................................................14
1.1. Общая информация об агломерационном процессе.............................14
1.2. Сырьевые компоненты агломерационного процесса............................21
1.3. Подготовка компонентов шихты к спеканию..................................29
  1.3.1. Дозирование компонентов агломерационной шихты........................29
  1.3.2. Окомкование агломерационной шихты....................................30
       Формирование гранул комкуемой шихты в барабанах-окомкователях..........32
       Роль физико-химических взаимодействий в системе «комкуемый материал - вода»............................................35
       Влияние поверхностно-активных веществ на прочность гранул окомкованной шихты.....................................................39
       Окомкование агломерационных шихт с применением поверхностно-активных веществ................................................................41
       Окомкование агломерационных шихт с применением добавок.................46
       Предварительная грануляция материалов как стадия окомкования...........53
1.4. Массообменные процессы в агломерационном слое............................57
  1.4.1. Химические превращения с участием твердых фаз........................58
       Горение твердого топлива...............................................58
       Окислительно-восстановительные превращения оксидов железа..............62
       Разложение гидратных соединений........................................65
       Диссоциация карбонатных соединений.....................................65
       Поведение серы при спекании агломерата.................................66
       Взаимодействие между твердыми фазами...................................68
  1.4.2. Процессы, протекающие при образовании жидкой фазы в ходе плавления...70
  1.4.3. Процессы в ходе затвердевания (кристаллизации) расплава..............71
1.5. Теплообмен в спекаемом слое..............................................72
  1.5.1. Общие сведения о теплообмене при спекании............................72
  1.5.2. Зональные тепловые балансы спекаемого слоя...........................74
  1.5.3. Математическая модель теплообмена при спекании агломерационной шихты.78
  1.5.4. Трехмерная математическая модель процесса агломерации................79
  1.5.5. Расчет удельного выхода агломерационного газа........................82
  1.5.6. Вертикальная скорость спекания.......................................84
1.6. Газодинамика агломерационного процесса...................................85
  1.6.1. Основное уравнение газодинамики пористого слоя.......................85
  1.6.2. Коэффициенты газодинамического сопротивления.........................86
  1.6.3. Порозность агломерационного слоя.....................................88
  1.6.4. Газодинамика технологии агломерации..................................89
  1.6.5. Производительность агломерационной машины............................92
  1.6.6. Пути повышения производительности агломерационных машин..............93
       Модернизация с целью увеличения спекательных мощностей.................93

3

       Повышение выхода годного агломерата....................................94
       Интенсификация процесса спекания.......................................96
1.7. Качество агломерата в аспекте влияния на показатели доменной плавки......99
  1.7.1. Показатели качества агломерата.......................................99
  1.7.2. Влияние качества агломерата на газодинамические параметры доменной плавки ... 105
  1.7.3. Требования к качеству агломерата....................................107
       Химический состав.....................................................107
       Прочность.............................................................108
       Восстановимость.......................................................109
       Размягчаемость........................................................112
  1.7.4. Основные решения по повышению качества агломерата...................112
       Производство низкокремнистого агломерата..............................112
       Регулирование пористой структуры агломерата...........................116
       Введение легкоплавких добавок.........................................118
       Режим возврата........................................................121
       Регулирование теплового уровня процесса агломерации...................122
  1.7.5. Технология агломерации под давлением................................128
1.8. Энергоэффективность технологии агломерации..............................129
1.9. Экологические аспекты производства агломерата...........................136
  1.9.1. Термодинамическое моделирование эмиссий в агломерационном процессе..136
  1.9.2. Характеристика эмиссий при производстве агломерата..................138
  1.9.3. Влияние технологических факторов наэмиссию загрязняющих веществ при агломерации............................................................142
Вопросы для самоконтроля.....................................................147
Литература...................................................................149


2. Производство окатышей.....................................................153
2.1. Общая информация........................................................153
  2.1.1. Технологическая схема производства окатышей.........................153
  2.1.2. Окомкование.........................................................156
  2.1.3. Упрочнение сырых окатышей...........................................158
       Сушка окатышей........................................................158
       Обжиг окатышей........................................................159
2.2. Шихтовые компоненты для производства окатышей...........................162
2.3. Получение сырых окатышей................................................164
  2.3.1. Взаимодействие между увлаженными частицами при формировании сырого окатыша.............................................................164
  2.3.2. Природадействия связующих добавок в упрочнении сырых окатышей........170
  2.3.3. Эффективность различных упрочняющих добавок при окомковании.........173
2.4. Производство безобжиговых окатышей.......................................183
  2.4.1. Общие сведения о безобжиговом окусковании...........................183
  2.4.2. Механизм твердения портландцементных вяжущих........................184
  2.4.3. Безобжиговое упрочнение при нормальных условиях.....................186
  2.4.4. Безобжиговое окускование при умеренных температурах.................187
  2.4.5. Безобжиговое окускование при ускоренном твердении...................188
  2.4.6. Преимущества безобжигового способаокускования........................189
2.5. Упрочнение окатышей термическими методами................................190

4

  2.5.1. Феноменология массообменных процессов при термической обработке окатышей........................................................191
       Массообмен при сушке окатышей........................................191
       Массобменные процессы в зоне подогрева...............................193
       Массообмен в зоне обжига.............................................193
       Массообмен в зоне охлаждения.........................................194
  2.5.2. Моделирование массообменных процессов при термической обработке окатышей........................................................194
       Модель массопереноса в единичном окатыше.............................195
       Окисление магнетита..................................................196
       Диссоциация гематита.................................................202
       Диссоциация известняка...............................................205
  2.5.3. Обжиг окатышей как усложненный случай спекания.....................207
       Основные закономерности кинетики спекания............................207
       О механизме спекания оксидов железа..................................209
       Характеристика дефектов структуры оксидов железа.....................211
       Зависимость дефектности структуры гематита от генезиса оксида........217
       Дефекты кристаллической структуры оксидов железа и процессы спекания.224
  2.5.4. Макроструктура окатыша и его прочность.............................226
2.6. Металлургические свойства железорудных окатышей........................230
  2.6.1. Методы испытаний качества окатышей.................................230
  2.6.2. Требования к качеству окатышей.....................................234
       Химический состав....................................................234
       Прочность............................................................235
       Восстановимость......................................................236
       Размягчаемость.......................................................236
  2.6.3. Основные решения по повышению качества окатышей....................238
       Оптимизация соотношения тонких и грубых фракций концентрата..........238
       Минимизация зональности структуры окатыша............................240
       Введение модифицирующих добавок......................................241
       Управление дефектами структуры оксидов...............................242
       Регулирование жидкофазного спекания..................................244
2.7. Ресурсосбережение в производстве окатышей..............................247
  2.7.1. Потребление ресурсов в производстве окатышей.......................247
       Материальные ресурсы.................................................247
       Энергетические ресурсы...............................................248
  2.7.2. Энергоэффективность конвейерных машин как агрегатов для обжига окатышей .... 248
  2.7.3. Совершенствование тепловых схем обжиговых конвейерных машин........251
2.8. Экологические аспекты производства окатышей............................255
  2.8.1. Общая характеристика эмиссий в окружающую среду при производстве окатышей.................................................255
  2.8.2. Источники выбросов от технологических операций при производстве окатышей.................................................258
2.9. Практика окускования марганцевых, хромовых руд.........................261
  2.9.1. Агломерация марганцевых руд........................................261
  2.9.2. Агломерация хромовых руд...........................................267
  2.9.3. Применение окатышей в ферросплавном производстве...................269
Вопросы для самоконтроля....................................................273
Литература..................................................................275

5

3. Брикетирование...............................................................281
3.1. Основные материалы для брикетирования......................................281
3.2. Металлургические свойства брикетов и способы их определения.............289
  3.2.1. Механическая прочность..............................................289
  3.2.2. Пористость..........................................................300
3.3. Брикетирование природных и техногенных материалов в доменном производстве..307
  3.3.1. Металлургические свойства вибропрессованных доменных брикетов.......308
  3.3.2. Исследование металлургических свойств и оптимизация составов брикетов экструзии (брэксов) для доменного производства.............................312
  3.3.3. Исследование металлургических свойств промышленных брэксов, применяемых в качестве основного компонента шихты доменной печи............319
  3.3.4. Опыт освоения технологии проплавки брикетов при увеличении их доли в шихте до100 %............................................................327
  3.3.5. Оценка перспектив использования углеродсодержащих брикетов их железорудного концентрата...................................................................329
3.4. Брикетирование природного и техногенного сырья для производства ферросплавов .... 331
  3.4.1. Брикеты на основе первично-окисленного марганцеворудного концентрата...333
  3.4.2. Брикеты на основе окисного марганцеворудного концентрата с добавлением пыли аспирации производства силикомарганца.................................335
  3.4.3. Опытно-промышленная кампания по выплавке силикомарганца с брэксами в шихте руднотермической печи..............................................344
  3.4.4. Брикеты для выплавки феррохрома.....................................350
3.5. Брикетирование в процессах производства железа прямого восстановления......361
  3.5.1. Брэксы в шихте реактора прямого восстановления железа (процесс Midrex).361
  3.5.2. Высокотемпературное восстановление рудоугольных брэксов.............371
Вопросы для самоконтроля.....................................................378
Литература...................................................................379

4. Наилучшие доступные технологии в окусковании..............................382
4.1. Наилучшая доступная технология. Понятие, показатели.....................382
  4.1.1. Наилучшая доступная технология, описание............................382
  4.1.2. Наилучшая доступная технология, маркерное вещество..................387
  4.1.3. Наилучшая доступная технология, технологические показатели..........391
4.2. Наилучшие доступные технологии «на конце трубы» в агломерации...........392
  4.2.1. Обеспыливание отходящих газов агломерационных машин.................392
  4.2.2. Снижение выбросов оксидауглерода....................................398
  4.2.3. Снижение выбросов оксидов азота.....................................399
  4.2.4. Сокращение сернистых выбросов при агломерации.......................400
  4.2.5. Образование диоксинов при агломерации и меры обезвреживания отходящих газов...............................................................403
4.3. Наилучшие доступные технологии «на конце трубы» при производстве окатышей..408
4.4. Концепция рециркуляции отходящих от агломашины газов.......................411
  4.4.1. Условия рециркуляции отходящих газов................................411
  4.4.2. Системы рециркуляции отходящих газов................................413
  4.4.3. Сравнительные характеристики работы агломашины с рециркуляцией......419
4.5. Рекомендации по наилучшим доступным технологиям в окусковании...........421
  4.5.1. Рекомендации по НДТ в агломерации......................................421
  4.5.2. Рекомендации по НДТ в производстве окатышей............................425

6

Общие решения по НДТ в сфере энергоэффективности.......................425
НДТ в производстве окатышей............................................425
4.6. Аглофабрика без дымовой трубы............................................426
4.7. Брикеты жесткой вакуумной экструзии как наилучшая доступная технология...430
Вопросы для самоконтроля......................................................433
Литература....................................................................434

5. Эмиссия парниковых газов в окусковании железорудного сырья.................436
5.1. Глобальное потепление. Общая концепция...................................436
5.2. Регулятивные меры по предотвращению изменения климата....................438
5.3. Черная металлургия как эмитент выбросов парниковых газов.................442
  5.3.1. Методики расчета эмиссий парниковых газов в черной металлургии.......443
  5.3.2. Бенчмаркинг выбросов парниковых газов в черной металлургии...........445
5.4. Направления декарбонизации черной металлургии............................452
  5.4.1. Технические меры по снижению эмиссий парниковых газов................452
  5.4.2. Водород как новый энергоноситель.....................................453
  5.4.3. О технологиях улавливания и хранения диоксида углерода...............455
Вопросы для самоконтроля......................................................458
Литература....................................................................459

ПРЕДИСЛОВИЕ


      Поводом для подготовки этого учебника стала вызвавшая значительный интерес в мире публикация в начале 2020 года книги авторов Agglomeration in Metallurgy (Springer). Задуманная авторами поначалу как всецело посвященная описанию и сравнительному сопоставлению новой технологии брикетирования на основе жесткой вакуумной экструзии, книга стала популярной как одна из первых, посвященных научно-техническим аспектам технологии окускования в целом, включающей и широко применяемые в практике техники агломерации и производства окатышей. В нескольких странах книга была рекомендована в качестве учебного пособия.
      Именно это обстоятельство в совокупности с остро ощущаемым дефицитом образовательной литературы по одной из важнейших металлургических технологий стало, выражаясь современным языком, драйвером инициативы, поддержанной издательством Инфра-Инженерия, опубликовать подобный учебник и в России.
      За прошедшее с момента выхода книги время авторы расширили и углубили познания о механизмах физико-химических и физико-механических процессов как в классических технологиях окускования, так и в брикетировании, которые не нашли должного освещения в доступных литературных источниках. В отличие от английского издания книга содержит обобщения по наилучшим технологическим практикам и/или наилучшим доступным технологиям в окусковании, а также оценки по эмиссиям парниковых газов в этих процессах. Именно эти подходы определили название книги «Зеленые технологии в современном окусковании». Отметим, что это решение - не дань моде активного «озеленения» металлургии, а отражение реального продвижения Наилучших Доступных Технологий в черной металлургии, одним из примеров которой в окусковании является технология холодного брикетирования. В настоящее время несколько крупнейших сталеплавильных компаний мира, в том числе ПАО НЛМК, сделали свой выбор в пользу технологии жесткой экструзии.
      Материал издания базируется по преимуществу на исследованиях, разработках, анализе авторов, но в отношении классических технологий показаны работы серьезных национальных металлургических школ, прежде всего российской, созданной трудами ученых А. М. Парфенова, И. П. Худорожкова, Н. М. Бабушкина, В. Н. Тимофеева, В. И. Коротича, С. В. Базилевича, Е. Ф. Вегмана, Н. Н. Бережного, Ю. С. Юсфина, В. Е. Лотоша, а также продолжающей традицию поисков и открытий плеядой ныне здравствующих талантливых исследователей и практиков.
      Авторы бережно подошли к цитированию источников, в большинстве случаев сохранив оригинальный текст, снабдив его комментарием или включив в сопоставительную оценку с обязательным указанием необходимых ссылок как в самом тексте, так и на рисунках.
      Обобщение информационных источников не ограничивается временными периодами, а отражает наиболее значимые для технологий окускования вехи, в том числе, в отношении отчасти забытых или невостребованных идей, гипотез, технических решений, сохранивших актуальность до настоящего времени, с акцентом на опыт повышения качества агломерата и окатышей, ресурсоэффективности, обеспечения экологической безопасности производства окускованного сырья.


8

      Оживление металлургической индустрии, рост потребности в квалифицированных технических специалистах в последние годы и определенный информационный дефицит делают настоящее издание весьма своевременным.
      Углубленному изучению предмета будет способствовать самоконтроль, для чего издание включает надлежащий вопросник по каждому разделу.
      Разделы «Агломерационный процесс», «Производство окатышей» (кроме п. 2.9), «Наилучшие доступные технологии в окусковании», «Эмиссия парниковых газов в процессах окускования сырья» подготовлены д. т. н., проф. В. М. Чижиковой, раздел «Брикетирование» и параграф 2.9 - к. т. н. А. М. Бижановым.
      Авторы не рассматривают данную книгу как фундаментальное издание ввиду сравнительного небольшого применительно к такой проблематике объема, но, тем не менее, принципиальные основы процессов, протекающих при окусковании железорудного сырья, постарались изложить.
      Авторы никоим образом не претендуют на непререкаемость оценок и выводов, которые построены на имеющихся на сегодняшний день в их распоряжении аргументах, и вполне допускают дальнейшее развитие взглядов и представлений в теории и технологии окускования дисперсных материалов, в решениях экологических проблем.
      Авторы благодарны научным коллективам и исследователям, поделившимся в публикациях собственными идеями, их теоретическим обоснованием и инженерным воплощением, а также коллегам, которые помогали в научной работе авторам.
      Особую признательность авторы выражают издательству за возможность опубликования данной книги и труд по ее изданию.
      Издание адресовано студентам, обучающимся по направлению «Металлургия», но будет полезно магистрантам, аспирантам, преподавателям высших учебных заведений металлургического или политехнического профиля, а также заинтересует инженерно-технических работников и персонал металлургических предприятий, научных сотрудников.
      Надеемся, что книга обретет своего внимательного читателя и не обманет его ожиданий.


С наилучшими пожеланиями,


В. Чижикова
                                                                 А. Бижанов

ВВЕДЕНИЕ


      Сложившаяся к началу XXI века схема производства стали, основанная на трехстадийном переделе (подготовка сырья для производства первичного металла, производство первичного металла, переработка первичного металла в сталь) обеспечивает высокие технико-экономические показатели отрасли и, очевидно, останется предпочтительной схемой получения металла. Доминирующую позицию в производстве первичного металла занимает доменный процесс [1], основным шихтовым компонентом которого является окускованное железорудное сырье (агломерат, окатыши, с недавнего времени брикеты). В 2020 г. в мире было получено 1 319 млн т чугуна, которые потребовали 501 млн т окатышей (в 2019 г.) и порядка 1 млрд т агломерата [2].
      Агломерат (sinter) - твердый кусковый продукт с неправильной формой кусков, образующийся в результате спекания агломерационной шихты, и выделенный из спека путем дробления и грохочения [3].
      Окатыш (pellet) - твердое шарообразное тело, полученное путем окомкования тонкоиз-мельченных рудных материалов с добавкой связующих веществ с последующим упрочнением способами обжига, цементации или автоклавирования [3].
      Брикет (briquette) - сформованное за счет механических усилий твердое тело призматической или цилиндрической формы в зависимости от способа формования, содержащее связующее вещество, с дальнейшим упрочнением вылеживанием в естественных условиях или автоклавированием.
      Первый патент на способ окускования методом спекания был взят в 1887 г. англичанами Ф. Геберлейном и Т. Хантингтоном. Он относился к окислительному обжигу сульфидных руд и не предусматривал введения специального топлива в шихту, поскольку теплопо-требности процесса обеспечивались за счет окисления сульфидной серы. Применительно к окускованию железных руд инженерное решение с введением коксовой или угольной мелочи было предложено немецким специалистом Д. Завельсбергом в 1905 г. [4], который и ввел термин «агломерация». Процесс получил промышленное распространение после изобретения А. Дуайтом и Р. Ллойдом ленточной (конвейерной) агломерационной машины в 1906 г., а пуск в эксплуатацию первой установки подобного типа в г. Бердсборо (США) открыл эру коммерческого применения агломерации шихтовых материалов на конвейерных машинах. Современные агломерационные машины имеют площадь спекания до 700 м².
      Технология производства окатышей зародилась несколько позже, нежели агломерация: первый патент был взят в 1912 г. шведом Андерсоном [5]. Эта техническая идея далее получила поддержку и развитие уже в Германии, начиная с патента Браккельсберга в 1913 г. на способ окомкования тонкоизмельченных железных руд [6], до строительства промышленной установки по окомкованию в 1926 г. в Диллингене. Новый этап интереса к этому способу возник в 40-е годы в США с появлением промышленных объемов тонкоизмельченных концентратов, получаемых при обогащении таконитов. Именно в это время и родился термин «pellet» (в русскоязычной версии «окатыш»). Датой начала промышленного производства окатышей как сырья для доменных печей можно считать 1955 г., когда в США (Сильвер-Бей) была введена первая фабрика по производству окатышей.


10

      Современные установки по окислительному обжигу окатышей могут иметь площадь до 780 м².
      Промышленное брикетирование берет свое начало с первого коммерчески успешного проекта производства брикетов из мелкой магнетитовой железной руды, реализованного в 1899 г. в Финляндии. К 1913 г. в мире работали уже 38 подобных линий брикетирования (16 - в Швеции, 12 - в Англии, 6 - в США). Для производства брикетов применялись различные прессы (Сутклиффа, рычажные, револьверные, кольцевые, конвейерные, валковые). Низкая производительность оборудования брикетирования и, зачастую, недостаточные прочностные свойства брикетов не позволили до настоящего времени этой технологии занять значимую роль в окусковании сырьевых материалов для доменного производства. Развитие техники брикетирования с появлением таких технологий как жесткая вакуумная экструзия позволяет нивелировать отмеченные недостатки и таким образом реабилитировать технологию брикетирования как способ окускования сырьевых материалов для доменной плавки.
      Производство окускованного сырья как индустриальная технология в современных условиях сталкивается с рядом вызовов, которые формируют дополнительные требования как собственно к производству, так и к продукту, либо накладывают определенные ограничения.

      1. Повышенные требования к качеству сырья для доменной плавки.
      Современная технология доменной плавки, направленная на всемерную экономию кокса, предусматривает ряд технологических новаций, обуславливающих повышенные требования к качеству окускованного сырья:
        • из-за стремления повысить содержание железа увеличивается доля окатышей в шихте доменных печей, так как каждый 1 % прироста содержания железа снижает расход кокса до 1,3 % [7]; за последние годы в России она возросла до 40 %, в США расход окатышей в шихту достиг 1000 кг/т чугуна, а некоторые печи работают на 100 % окатышей;
        • выделение мелкофракционного агломерата (с особыми условиями его загрузки в доменную печь); повышенное содержание мелких фракций в железорудной части шихты доменных печей вызывает перерасход кокса до 2 % на каждый процент увеличения фракции - 5 мм в агломерате или окатышах [7].
        • вдувание пылеугольного топлива.
      В отличие от агломерационных фабрик (и цехов брикетирования), интегрированных в структуре металлургического производства, фабрики окомкования ориентированы на рудную базу, и производимое сырье подлежит перевозке (и подвержено многочисленным перегрузкам). Транспортирование окатышей неудовлетворительного качества приводит к фактическим потерям сырья до 50 кг/т окатышей.

      2. Общественная озабоченность в отношении ресурсообеспеченности и ресурсосбережения.
      Устойчивое развитие общества по оценкам американских ученых [8] предопределено сохранением сырьевых, энергетических, экологических и других ресурсов. Вместе с тем, мировое общественное производство характеризуется крайне низкой эффективностью относительно ресурсов: позитивно используется только 2 %, остальные 98 % переходят во вторичные материалы или отходы. В этой связи проблемы ресурсосбережения носят глобальный характер.

11

      Парадигма устойчивого развития цивилизации, определившая в 90-х годах XX века ресурсно-экологическую стратегию промышленного развития, устанавливает определенные критерии для совершенствования, в том числе, процессов производства первичного металла:
        • ресурсосбережение (в основе своей ввиду высокой материалоемкости процессов производства первичного металла, ориентированное на максимальное вовлечение в хозяйственный оборот техногенных материалов);
        • энергосбережение в связи с необходимостью решения глобальных экологических проблем (парниковый эффект);
        • экологические требования (минимизация негативного воздействия на окружающую среду).
      Уровень негативного воздействия является немаловажным ресурсным аспектом функционирования металлургии. По [9] в России, например, выбросы металлургического производства (черная металлургия) составляют 5,5 % валового национального объема выбросов от стационарных источников в обрабатывающей промышленности. В структуре металлургического предприятия полного цикла агломерационное производство представляет до 50 % валовых выбросов, объем которых обусловлен прежде всего технологическими особенностями процесса.
      Нетрудно заметить, что слагаемые, как-то качество, уровень загрязнения, энергосбережение, находятся в тесной взаимосвязи и взаимозависимости. Улучшение качества окускованного продукта (прежде всего его прочности) обеспечивает сокращение рециркуляционной нагрузки по переделу и сопровождается снижением энергозатрат на производство и уменьшением пылевыделения.
      Путь повышения качества продукта при неконтролируемых энергозатратах (например, механоактивирование шихтовых компонентов в производстве окатышей или агломерата) в аспекте ресурсосбережения представляется неприемлемым. Следует принять во внимание, что традиционное для высокотемпературных процессов окускования термическое регулирование качества продукта в значительной мере сопряжено с перерасходом энергоносителей (примерно 0,5 м³ на каждые 10 °С нагрева).
      Собственно эти представления и создали базовую концепцию книги, заключающуюся в освещении теоретических представлений о процессах при окусковании железорудного сырья и вытекающих из них идей, предложений, решений, направленных на управление качеством сырьевых продуктов для доменной плавки при минимизации энергозатрат и ограничении объема воздействия на окружающую среду (экологические аспекты).
      В основу концепции положен принцип неистощительного природопользования, соблюдение которого гарантируется:
        • сохранением материальных (в виде металлургического кокса) ресурсов при повышении прочности окускованного сырья и качества окатышей за счет снижения содержания мелочи и других мер;
        • экономией энергоресурсов (технологического топлива) при реализации эффективных технических и технологических решений в окусковании и брикетировании;
        • сокращением величины выбросов в технологическом процессе (эффективные технологии, в том числе природоохранные), за счет производства качественного сырья, применения брикетов жесткой экструзии, утилизации отходов, использования новых связующих при производстве окатышей и брикетов.

12

Литература

1. Савчук Н. А., Курунов И. Ф. Доменное производство на рубеже XXI века // Новости черной металлургии за рубежом. Часть II. - 2000. - с.1.
2.  World Steel Association. URL: worldsteel.org.
3.  Коршиков Г. В. Энциклопедический словарь-справочник по металлургии. Липецк.: 1999, 779 с., илл.
4.  ПатентГермании№ 210742, кл. С 21 в, 28.10.1905.
5.  Патент Швеции, № 35124, 1912.
6.  Патент Германии, № 289606, 1913.
7.  Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н. и др. Металлургия чугуна. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004, 774 с., илл.
8.  Медоуз Д. X, Медоуз Д. Л., Рандерс Й. За пределами роста. М.: Прогресс, 1994, 302 с., илл.
9.  Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в
  2020 году». URL: www.mnr.gov.ru/docs/2020.ecology-gosdoklad.ru (электронный ресурс).

1. АГЛОМЕРАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС


1.1. Общая информация о процессе агломерации


      Агломерация - процесс спекания предварительно подготовленной смеси шихтовых компонентов и твердого топлива за счет горения последнего в фильтруемом воздушным потоком слое (вакуумная агломерация).
      Опишем феномен агломерационной технологии.
      Шихтовые компоненты (см. параграф 1.2) доставляются на агломерационную фабрику; определенным образом, гарантирующим усреднение состава компонентов, складируются, далее дозируются в установленной пропорции для обеспечения заданного состава агломерата, смешиваются, увлажняются и подаются на окомкование, в процессе которого могут при необ

ходимости доувлажняться.
      Окомкованную шихту загружают на колосниковую решетку конвейерной машины (паллету) слоем высотой 250-600 мм, включают эксгаустер для обеспечения необходимого разрежения под слоем и условий фильтрации воздуха через спекаемый слой.
      Процесс спекания начинается с горения твердого топлива в слое. Для инициирования последующего автономного горения топлива загруженная шихтой паллета проходит под зажигательным горном, где верхний слой шихты прогревается до температур около 10001100 °C (не выше 1200 °C), а твердое топливо воспламеняется, формируя специфичное для агломерационного процесса распределение температурных областей (зон) в спекаемом слое.
      Мгновенная картина такого распределения (термограмма) с более детальной структу-ройзон показана нарис. 1.1-1.
а                          b            с


Рисунок 1.1-1. Мгновенная картина распределения температур в агломерируемом слое (прерванное спекание): а - макроструктура слоя: 1-5 - соответственно слой готового агломерата, зона горения (плавления), зона нагрева и сушки, зона переувлажненной шихты, слой исходной шихты; b - термограмма слоя: t - температура слоя, W - влажность материалов в аглослое, O2 - содержание кислорода в просасываемом газе, %, c - ступени теплообмена в слое, 6 - верхняя ступень теплообмена, 7 - нижняя ступень теплообмена

14

      Зафиксированный момент спекания на рис. 1.1-1 отражает следующую макроструктуру (температурную зональность) спекаемого слоя (рис. 1.1-1, а, Ь) в последовательности по ходу воздушного потока:
      1  - слой готового агломерата;
      2  - зона горения (зона плавления);
      3  - зона нагрева и сушки;
      4  - зона переувлажненной шихты;
      5  - слой исходной шихты.
      Воспламенившиеся при определенной температуре частицы твердого топлива (для коксовой мелочи ~700 °C) продолжают гореть, создавая вокруг себя в микрообъеме слоя шихты температуры на уровне 1300-1500 °C (зона 2). Образовавшийся в результате нагрева до указанных температур расплав (оксидно-силикатная фаза) в ходе последующей кристаллизации при охлаждении просасываемым воздухом образует пористый аглоспек (зона 1).
      Нагретый при фильтрации через слой агломерата воздух поступает в нижележащие зоны, нагревает шихту вплоть до температуры воспламенения топлива (зона 3) и одновременно высушивает ее, охлаждаясь при этом до 50-60 °C (ориентировочная температура точки росы). Насыщенный водяными парами газ, поступающими при сушке слоя, при контакте с холодной шихтой частично конденсируется, создавая зону переувлажненной шихты (зона 4).
      Попадая в область исходной шихты (зона 5), газ охлаждается до 15-20 °C.
      Распределение соответствующих зон в пространственно-временных координатах (в продольном сечении слоя на агломерационной машине) дано нарис. 1.1-2.


Рисунок 1.1-2. Расположение отдельных зон в слое спекаемой шихты (здесь sintering bed) на агломерационной машине:
Ignition hood - зажигательный горн; bellows - вакуум-камеры; combustion direction - направление движения зоны горения; горизонтальной стрелкой показано направление движения аглоленты (moving trolley).
Зоны: сырой шихты (raw mix zone); переувлажнения (wet zone); сушки и подогрева (preheating and drying zone); горения (combustion zone); плавления (meltng zone); агломерата (product zone)

      В общем случае продолжительность спекания можно охарактеризовать 3 периодами [1]: • начальный период Тн (в этот период формируются основные зоны спекаемого слоя при зажигании шихты; примерно за это же время происходит переувлажнение всего слоя шихты);


15