Расширение функциональных возможностей агрегатов для подготовки железорудного сырья к металлургической плавке

В. М. Павловец



РАСШИРЕНИЕ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЛАВКЕ



Монография
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 669.162.23
ББК 34.323
     П12


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры металлургии черных металлов Юргинского технологического института (филиала)
ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» Р. А. Гизатулин;
кандидат технических наук, доцент кафедры теплофизики и информатики в металлургии Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина В. И. Матюхин



       Павловец, В. М.
П12       Расширение функциональных возможностей агрегатов для подго-
     товки железорудного сырья к металлургической плавке : монография / В. М. Павловец. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 328 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1170-7

           Раскрыта проблема расширения функциональных возможностей агрегатов для подготовки железорудного сырья к металлургической плавке в сфере производства железорудных окатышей. Изложены основы теории и технологии производства железорудных окатышей. Представлены результаты научных исследований и технические разработки автора в области теории и технологии подготовки железорудного сырья к металлургической плавке, посвященные новой технической концепции производства железорудных окатышей.
           Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Металлургия», а также аспирантов и инженерно-технических работников.

                                                       УДК 669.162.23
                                                       ББК 34.323








ISBN 978-5-9729-1170-7

     © Павловец В. М., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ.......................................................6
ВВЕДЕНИЕ..........................................................7
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ
ПОДГОТОВКИ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЛАВКЕ.............................................................10
1.1. Общие сведения о практике использования и производстве железорудных окатышей..............................................10
1.2. Общая характеристика технологии производства железорудных окатышей...........................................................13
1.3. Основы теории и практики окомкования железорудных окатышей....17
1.4. Основы теории и практики термообработки железорудных окатышей.23
   1.4.1. Закономерности сушки капиллярно-пористых тел.............23
   1.4.2. Характеристика физико-химических процессов высокотемпературного обжига окатышей............................29
   1.4.3. Физические основы процесса спекания......................37
2. АНАЛИЗ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ РЕЗЕРВОВ И РАЗРАБОТКА ОБОБЩЕННОЙ СТРУКТУРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОДГОТОВКИ ЖЕЛЕЗОРУДНОЙ ШИХТЫ К СПЕКАНИЮ...........................43
2.1. Разработка технологического алгоритма альтернативных способов подготовки железорудной шихты к спеканию на основе
морфологического анализа...........................................43
2.2. Анализ структурно-технологической схемы и совместимость элементов способов подготовки шихты к спеканию с заданными технологическими условиями.........................................53
3. ОРГАНИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ, СТРУКТУРНО СОДЕРЖАЩЕГО ПРИНУДИТЕЛЬНОЕ ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЕ СПОСОБОМ НАПЫЛЕНИЯ ВЛАЖНОЙ ШИХТЫ НА ДОННЫЙ ГАРНИСАЖ
ОКОМКОВАТЕЛЯ.......................................................61
3.1. Организация технологической схемы и проектирование экспериментальной установки для получения сырых железорудных окатышей, структурно содержащей систему аппаратов
для принудительного зародышеобразования............................61
   3.1.1. Общие принципы организации технологической схемы принудительного зародышеобразования влажной шихты
   напылением ВШС в холостой зоне окомкователя.....................61
   3.1.2. Математическое описание движения зародыша на тарели окомкователя в технологии принудительного зародышеобразования..72
   3.1.3. Конструкция экспериментальной установки для получения железорудных окатышей, структурно содержащая систему аппаратов для принудительного зародышеобразования.........................80
   3.1.4. Методика экспериментов и определения физических параметров напыленного слоя, зародышей и окатышей..............90
3.2. Теплофизическая модель воздушношихтовой струи на участке загрузки шихты в окомкователь и динамика взаимодействия струи со слоем влажных железорудных материалов...........................92

3

   3.2.1. Исследование физических характеристик трехфазной воздушношихтовой струи и ее структурных составляющих............92
   3.2.2. Исследование температурных полей воздушношихтовых струй и теплового взаимодействия струи с шихтовыми материалами.......103
   3.2.3. Расчет давления воздушношихтовой струи на шихтовый гарнисаж окомкователя............................................105
   3.2.4. Аэродинамические исследования при взаимодействии струи воздуха с поверхностью ограждения..........................114
3.3. Организация технологической схемы и исследование режимов напыления влажной шихты воздушношихтовыми струями
на шихтовый гарнисаж в холостой зоне тарельчатого окомкователя....120
   3.3.1. Исследование механизма напыления влажной шихты на шихтовый гарнисаж окомкователя..............................120
   3.3.2. Исследование геометрических и прочностных параметров напыленного слоя шихты, сформированного на шихтовом гарнисаже окомкователя...................................................132
   3.3.3. Исследование механизма формирования и уплотнения шихтового гарнисажа и напыленного слоя при загрузке шихты в окомкователь...139
   3.3.4. Исследование механизма влагоудаления из напыленного слоя шихты на тарельчатом окомкователе................................147
3.4. Исследование процесса получения железорудных окатышей способом принудительного зародышеобразования на тарельчатом окомкователе.....153
   3.4.1. Разработка и исследование теплосиловых режимов принудительного зародышеобразования..............................153
   3.4.2. Перспективные схемы напыления шихты на гарнисаж окомкователя и деления напыленного слоя на зародыши..............160
   3.4.3. Исследование капиллярной пропитки шихтовых зародышей, сформированных по технологии принудительного зародышеобразования.166
   3.4.4. Исследование процесса получения окатышей комбинированным способом, структурно содержащим принудительное зародышеобразование напылением шихты сжатым воздухом.................................169
   3.4.5. Обоснование оптимальных параметров зародышеобразования и условий увлажнения.............................................176
4. ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ, СТРУКТУРНО СОДЕРЖАЩЕГО ОПЕРАЦИЮ НАПЫЛЕНИЯ ВЛАЖНОЙ
ШИХТЫ НА КОМКУЮЩИЕСЯ МАТЕРИАЛЫ....................................182
4.1. Исследование процесса взаимодействия воздушношихтовой струи и слоя влажных окатышей в рабочем пространстве окомкователя.......182
   4.1.1. Силовое взаимодействие воздушношихтовой струи и ее структурных составляющих со слоем влажных окатышей........182
   4.1.2. Особенности взаимодействия струи сжатого воздуха и слоя пересыпающихся влажных окатышей в окомкователе..........192
   4.1.3. Влияние характера реакционной поверхности окомкователя
   на прочность железорудных окатышей, ускоренных сжатым воздухом...198
   4.1.4. Измерение скорости окатышей, ускоренных струей сжатого воздуха на тарельчатом окомкователе............................203

4

4.2. Формирование окатышей напылением влажной шихты на слой комкуемых материалов в рабочем пространстве окомкователя......207
   4.2.1. Исследование механизма напыления влажной шихты
   на слой железорудных окатышей..............................207
   4.2.2. Исследование технологии напыления влажной шихты
   на слой железорудных окатышей...............................211
   4.2.3. Перспективные схемы напыления шихты на комкующиеся материалы в рабочей зоне окомкователя.......................222
4.3. Устранение поверхностных дефектов влажных окатышей напылением шихты воздушношихтовыми струями.....................227
   4.3.1. Анализ причин образования дефектов и механизм образования трещин на поверхности сырых окатышей........................227
   4.3.2. Устранение дефектов на поверхности сырых окатышей напылением шихты на слой комкуемых материалов..............231
4.4. Сравнительная оценка термостойкости и кинетики сушки
железорудных окатышей, полученных с использованием теплосилового напыления влажной шихты.......................................235
5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ СУШКИ СПОСОБОМ ПРОДУВКИ СЛОЯ ОКАТЫШЕЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ СТРУЯМИ ВОЗДУХА НА УЧАСТКЕ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЫХ ОКАТЫШЕЙ
К ОБЖИГОВОМУ АГРЕГАТУ.........................................245
5.1. Разработка и анализ технологической схемы продувки низкотемпературными струями воздуха слоя влажных окатышей, движущихся на транспортерной ленте............................245
5.2. Исследование процесса влагоудаления, моделирующего
продувку слоя окатышей низкотемпературными струями воздуха
на транспортерной ленте.......................................250
6. РАЗВИТИЕ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ОБЖИГЕ ОКАТЫШЕЙ
НА ОСНОВЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СПЕКАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ
СИСТЕМ.........................................................261
6.1. Объект и методика тепловых и дилатометрических исследований
при обжиге окатышей...........................................261
6.2. Исследование тепловых процессов при обжиге окатышей......278
6.3. Разработка теплотехнического режима слоевого обжига окатышей
на основе закономерностей процесса спекания дисперсных систем.289
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................298
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ......................301
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................303

5

ПРЕДИСЛОВИЕ


     В монографии представлены результаты научных исследований и технические разработки автора в области теории и технологии подготовки железорудного сырья к металлургической плавке, посвященные новой технической концепции производства железорудных окатышей. В основу этой концепции положена идея о расширении функциональных возможностей агрегатов для получения сырых окатышей за счет переноса части тепловой нагрузки с высокотемпературной стадии процесса на низкотемпературный этап их производства. Методология расширения функциональных возможностей агрегатов основана на использовании дополнительных теплофизических методов воздействия на влажные материалы в процессах их формообразования на окомкователе и при транспортировке влажных окатышей на конвейерной ленте.
     Целью настоящей монографии является попытка научного анализа и технического обоснования эффективности использования теплосиловых методов воздействия на сырую шихту и окатыши на низкотемпературной стадии производства, позволяющие организовать регламентированное упрочнение, формо- и структурообразование окатышей в агрегатах для окомкования шихты и в устройствах для их транспортировки. Следует подчеркнуть, что для развития новой концепции использовались научные знания в смежных металлургических технологиях, на что указывается в материалах монографии, однако большинство технических решений в рамках этой концепции являются оригинальными авторскими разработками и обладают новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что выводит их на уровень изобретений. Некоторые аспекты этой концепции, безусловно, дискуссионные и заслуживают обсуждения уважаемых читателей.
     Вся информация, представленная в монографии, опубликована в рецензируемых периодических изданиях РФ, бюллетенях изобретений, некоторые научные статьи переведены за рубежом. Автор благодарит рецензентов настоящей монографии за ценные замечания, сделанные при рецензировании научных статей. Конструктивные пожелания читателей, безусловно, будут учтены при совершенствовании нового издания монографии.

6

ВВЕДЕНИЕ


     Современные рыночные требования генерируют постоянный поиск новых технологий, обладающих конкурентными преимуществами в энерго- и ресурсосбережении, в качестве и себестоимости выпускаемой продукции. Это в полной мере относится к металлургическим технологиям, направленным на производство металлопродукции высокого качества.
     Технология подготовки железорудного сырья к металлургической плавке является важным и необходимым звеном современного металлургического производства, на котором формируются его потребительские свойства. Пройдя этап подготовки окускованные материалы должны обеспечивать высокую механическую прочность, необходимую для длительной транспортировки сырья к потребителям на большие расстояния, стабилизировать аэродинамику слоя шихтовых материалов при последующей интенсивной восстановительнотепловой обработке и обладать оптимальным химико-минералогическим составом. На практике в большинстве случаев показатели качества окускованного сырья удовлетворяют современным стандартам и техническим условиям, но для некоторых видов сырья, в частности для железорудных окатышей, существуют резервные возможности для совершенствования технологии их получения и для улучшения их металлургических свойств. Эти свойства особенно важны для доменного передела и процессов металлизации сырья в технологиях прямого получения железа, в которых существует необходимость уменьшения пылевыноса с разупрочняющимся окускованным сырьем и снижением потерь сырья в виде шламов, повышению равномерности газораспределения, снижению расхода восстановителей и возможность решения сопутствующих проблем, повышая качество сырья на этапе его подготовки. Сложность проблемы повышения качества сырья заключается в том, что целенаправленное воздействие на потребительские свойства окатышей введением органических и минеральных добавок в их шихту ограничивается высокими требованиями по чистоте минерального состава и запретом на снижение содержания железа. Одновременно с этим возникает дополнительная проблема по корректировке режима сушки и обжига на обжиговой конвейерной машине.
     Основными техническими и научными направлениями для улучшения металлургических свойств окатышей являются комплексные мероприятия, реализуемые на обжиговой конвейерной машине на стадии термообработки с использованием теплотехнических методов воздействия. Закономерности высокотемпературного упрочнения и структурообразования железорудных окатышей достаточно хорошо изучены зарубежными специалистами и учеными отечественных научных школ НИТУ «МИСиС», ФГАОУ ВО «УрФУ», Института металлургии УрО РАН, ОАО «ВНИИМТ», НПВП «ТОРЕКС», ОАО «Уральский институт металлов», специалистами промышленных предприятий и других научных и учебных заведений. Знание этих закономерностей позволяет прогнозировать уровень достигаемой прочности и некоторые структурные свойства окатышей, учитывая экономические критерии технологического процесса. Наряду с упрочнением исследуется не в полной мере изученный меха

7

низм разупрочнения окатышей, который протекает на стадии подготовки сырья к металлургическому переделу и в рабочем пространстве шахтных агрегатов, ухудшая показатели металлургической плавки.
     Одним из путей организованного воздействия на качественные характеристики окатышей и показатели регламентированного формо- и структурообра-зования может быть использование внешнего низкотемпературного теплосилового воздействия на сырые шихтовые материалы в рабочем пространстве агрегатов для получения окатышей, расширив их функциональные возможности и придав им дополнительные функции целенаправленного воздействия. Комбинация силового и теплового воздействия на влажные шихтовые материалы, основанного на струйных технологиях, позволяет объединить формообразование и влагоудаление, вовлечь в технологический процесс холостые площади оком-кователей и использовать надслойное пространство конвейерных лент для струйной тепловой обработки окатышей. Технологическая доступность к агрегатам для получения окатышей, резервы их рабочего пространства, широкие технические возможности методов теплосилового воздействия, простота аппаратурного оформления, безопасность, экологичность позволяют в определенной степени решать технические и экономические проблемы в производстве железорудных окатышей. Использование струйных теплосиловых методов воздействия на сырые шихтовые материалы в процессе окомкования и на влажные окатыши в ходе их транспортировки от окомкователя к обжиговому агрегату позволяет снизить тепловые ограничении, предъявляемые к окатышам в зонах сушки и обжига, сократить длительность их упрочняющей термообработки, уменьшить энергопотребление на всем технологическом маршруте получения окатышей. Внешнее теплосиловое воздействие на сырые материалы в рабочем пространстве окомкователя расширяет список структурообразующих, тепловых и упрочняющих факторов, позволяя регламентировать потребительские свойства окускованного сырья и расширить методы управления технологическим процессом.
     Впервые реализованный автором настоящей монографии технический подход к окомкователю и к траспортерной ленте, как к технологическим системам низкотемпературных тепловых агрегатов, позволяет решать теплотехнические проблемы, связанные с тепло- и энергосбережением. Новые технические решения дают возможность увеличить степень использования рабочего пространства окомкователей, их производительность, вовлечь в процесс формо- и структурообразования труднокомкуемые углеродсодержащие шихтовые материалы, получить окатыши с пониженным содержанием влаги. Опытным путем доказана возможность предварительной низкотемпературной сушки окатышей при их транспортировке на конвейерной ленте.
       Принцип теплосилового напыления влажной шихты на шихтовый гарнисаж и продукты окомкования опирается на дополнительный комплекс силового и термического воздействия. Он формирует у влажного материала повышенные динамические характеристики, которые создают особые структурообразующие нагрузки и расширяют технологические возможности оборудования. В слое комкуемых материалов они генерируют новые поля скоростей и специ

8

фические силовые моменты, воздействующие на режим окомкования, и вовлекают комкуемый слой в процесс структурообразования. В этой технологии возрастают возможности ударного окомкования и упрочняющего структурного наклепа на поверхности окатышей, расширяются функциональные возможности различного рода технологических ограждений, установленных на пути движения материалов и на поверхности комкуемого слоя. При напылении шихты реализуются условия для залечивания поверхностных дефектов и трещин у окатышей, которые в традиционной технологии почти отсутствуют. Существенно меняется баланс влаги по сечению окатышей, что в свою очередь резко снижает развитие трещинообразования и повышает термостойкость окатышей во время последующей термической сушки. Организация дифференциального распределения пористости, минеральной и жидкой фазы, других структурных показателей окатышей ориентирует технологию производства сырья на повышение качества и скорости восстановления окускованных продуктов в ходе металлургической плавки. Благоприятная поровая структура окатышей усиливает диффузионные процессы, в том числе окисления магнетита при обжиге, исключая образование зональной структуры. Очевидно, что возможности теплосилового напыления влажной шихты еще не в полной мере исследованы и раскрыты. Можно прогнозировать интенсификацию процесса спекания нового структурного ансамбля частиц окатыша в процессе обжига и восстановительной способности нового вида сырья для современных технологий металлизации. Нет ограничений по использованию метода теплосилового напыления влажной шихты для воздействия на структуру традиционных и комбинированных видов металлургического сырья. По мнению автора, полученные разработки рационально использовать в экологически ориентированных технологиях рециклинга, направленных на подготовку техногенного вторичного сырья к металлургической плавке. Автор стремился показать выигрышные стороны новой технической концепции, включающей перспективы ее реализации на металлургических предприятиях и горно-обогатительных комбинатах страны.
      Многочисленные технические решения на основе предложенной концепции оформлены автором как объекты промышленной интеллектуальной собственности. Результаты научных исследований по указанной тематике опубликованы в открытой печати и используются в учебном процессе на кафедре теплоэнергетики и экологии Сибирского государственного индустриального университета. Они неоднократно докладывались на научных конференциях и экспонировались на выставках в Российской Федерации и за рубежом.
      Монография предназначена для инженерно-технических работников, аспирантов и студентов, обучающихся по направлению подготовки «Металлургия».

9

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПОДГОТОВКИ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ
К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЛАВКЕ

1.1. Общие сведения о практике использования и производстве железорудных окатышей

    Технология экстракции черных металлов из руд включает добычу железных руд, их механическую обработку и обогащение, последующее окускование концентратов в окатыши, агломерат или брикеты, проплавку их в доменных печах или металлизацию в шахтных агрегатах. Окускование железорудных материалов необходимо для получения прочного кускового продукта, являющегося сырьем для экстракции первичного металла (чугуна) в доменных печах или для металлизации сырья в шахтных агрегатах, необходимого для выплавки стали из металлизованного продукта в сталеплавильных электродуговых печах. Непосредственное использование концентратов в шихте доменных печей без предварительного окускования невозможно. Окускованный продукт загружается в печь на колошнике и непрерывно опускается сверху вниз, проходя рабочее пространство печи (28-34 м) за 5-6 ч, превращаясь в расплавленный шлак, чугун и доменный газ. Навстречу нисходящему потоку шихты с высокой скоростью движутся печные газы, которые образуются в горне доменной печи при сжигании кокса и топливных добавок. Скорость движения газа (8-10 м/с) настолько высока, что газы проходят через рабочее пространство печи за 3-4 с. При значительном количестве мелочи в шихте доменных печей уменьшается газопроницаемость столба шихтовых материалов, наблюдается перерасход дефицитного и дорогого кокса, ухудшается использование химической и тепловой энергии восстановительных газов, возможно подвисание столба шихты в печи. Мелкая шихта, выносимая газами из печи, не участвует в процессе получения первичного металла, формирует абразивный износ футеровки и металлических частей засыпного аппарата, требует мощной системы очистки газов и не обеспечивает получения высоких технико-экономических показателей доменной плавки.
    Технология окускования тонкого железорудного сырья в производстве окатышей включает две основные стадии: получение прочных сферических тел путем окомкования (окатывания) влажной шихты и высокотемпературный обжиг высушенных окатышей. Окомкование - особый вид формообразования, заключающийся в придании определенной формы влажной шихте на барабанных или тарельчатых окомкователях, с целью получения упрочненных сферических тел из сыпучих материалов. Для производства железорудных окатышей используют концентраты с содержанием железа 64-69 % и с крупностью частиц менее 0,1 мм.
    Первый способ получения окатышей из мелких сыпучих материалов запатентовал швед Андерсон в 1912 г. Второй патент на способ получения окатышей был выдан Бранкельсбергу (Германия) в 1913 г., который опубликовал в

10

г. первые результаты исследований свойств окатышей. В 1926 г. сооружена первая промышленная установка производительностью 120 т/ч. Первыми исследователями новой технологии окускования железорудного сырья в Советском Союзе в начале 30-х годов XX в. были Б. П. Селиванов, И. П. Семик, В. Я. Миллер, С. Г. Матвеев. Наиболее активно новый способ окускования рудных концентратов стали исследовать в 40-х годах XX в. металлурги США. Интерес к новой технологии был обусловлен проблемой окускования тонкоиз-мельченных таконитовых концентратов, полученных обогащением бедных железистых кварцитов, агломерация которых была неэффективной. Работы по окомкованию тонкоизмельченных концентратов в США начал в 1943 г. Дэвис. Исследования продолжались в конце 40-х и начале 50-х годов на ряде опытнопромышленных установок, которые явились прототипом первой промышленной фабрики для получения окатышей, открытой в 1955 г. в Сильвер Бее.
В конце 40-х годов опытно-промышленные установки для производства окатышей были построены в Европе (в Англии, Германии, Швеции) и в Японии. В начале 50-х годов в СССР возобновились исследовательские работы по получению окатышей и изучению их потребительских свойств. Первые работы были выполнены в институтах «Механобр», «УралНИИЧМ», ЦНИИЧЕРМЕТ, «УралМеханобр», НИТУ «МИСиС» и др. Результатом исследований явилось создание опытно-промышленных установок на ЮГОК и НТМК в 1958 г., на ССГОК и ЦГОК в 1963 г. В 1964 году в СССР пущена в эксплуатацию первая промышленная фабрика окатышей на Соколовско-Сарбайском ГОК (ныне республика Казахстан). С тех пор введены новые мощности по производству окатышей на ОАО «Качканарский ГОК - Ванадий» (1973 г.), на Лебединском, Михайловском, Стойленском ГОК (1970 - 1980 гг.), на ГОК «Карельский окатыш» (1982 г.). Существуют мощности по производству окатышей на заводе ОАО «Сибэлектросталь» (г. Красноярск). В Российской Федерации производство окатышей постоянно растет и превышает 40,0 млн т/год, что составляет более 35 % от общего количества железорудного сырья, произведенного в стране в 2020 г.
     Значительная часть этой продукции направляется на экспорт, составляя вместе с железной рудой и концентратом экспортный сегмент экономики, приносящий около 10 % валютной выручки в консолидированный бюджет России. Для многих стран мира экспорт железорудного сырья является важной частью экономики.
     Железорудные окатыши - это перспективное металлургическое сырье, обладающее высокими потребительскими свойствами. По сравнению с агломератом окатыши характеризуются более высокой восстановимостью, механической прочностью, содержанием железа. Технология производства окатышей отличается более низкими топливно-энергетическими затратами (0,5-1,75 МДж/т) и себестоимостью (120-140 долл./т). При производстве окатышей выше культура производства - ниже запыленность и загазованность рабочих мест. Существенно меньше экологическая нагрузка на окружающую среду и, соответственно, меньше отходов и выбросов вредных веществ в водную и воздушную среды. Выбросы монооксида углерода близки к нулю, в агломерационном производстве их выход достигает 30 кг/т. Выход оксидов азота (0,3 кг/т) на порядок меньше, чем

11

при агломерации. Удельный выброс пыли с горновыми газами (10-13 кг/т) обжиговых машин значительно ниже, чем при агломерации (20-30 кг/т). Значительно меньше потерь сырья при их производстве. Окатыши - это единственный вид сырья, легко переносящий длительную транспортировку к потребителям без потери их металлургических свойств. По этим причинам высока доля окатышей в экспорте железорудного сырья во многих странах мира. Их содержание в шихте доменных печей металлургических предприятий Российской Федерации достигает 30-32 %. Доля окатышей в шихте доменных печей Европейских стран превышает 50 %, а в странах Северной Америки приближается к 90-100 %. Например, производство железорудных окатышей в Китае составляет 121 млн т/год (2017 г), а общемировое количество окатышей достигло 398 млн т/год, что эквивалентно 26 % от общей массы сырья, произведенного всеми странами мира. В США были введены в техническую документацию термины pellet и pelletizing, которые стали широко использоваться в научной литературе. В СССР Ф. М. Базановым (1952 г.) был предложен синоним английского термина pellet - окатыш.
      В Российской Федерации научные исследования и опытно-конструкторские работы в производстве окатышей ведут сотрудники специализированных организаций ОАО «ВНИИМТ», НПВП «ТОРЕКС», института металлургии Уральского отделения РАН, ГНЦ ОАО «Уральский институт металлов» (г. Екатеринбург), НИТУ «МИСиС» и его филиалы, УГТУ-УПИ, СибГИУ, инженерно-технические работники лабораторий металлургических и горнодобывающих предприятий страны. Основными проблемами, как и раньше, являются улучшение металлургических свойств окатышей и повышение производительности технологического оборудования. Актуальны вопросы энергосбережения и связанные с ним вопросы снижения расхода тепловой и электрической энергии. Много внимания исследователи уделяют экологическим проблемам: снижению уровня образования отходов и вредных выбросов при производстве окатышей. Для масштабной продукции, каковой являются железорудные окатыши, актуальны проблемы уменьшения расхода связующих добавок, потерь сырья и, как следствие, снижение себестоимости готовой продукции. Исследователи разрабатывают новые, более эффективные режимы окомкования шихты, сушки и обжига окатышей, тепловые и аэродинамические схемы оборудования. Ведутся работы по глубокой утилизации тепла отходящих продуктов горения, горячего спека, по частичной замене природного газа более дешевыми видами органического топлива, такими как угольная мелочь, в том числе горючими отходами промышленного и сельскохозяйственного производства. Органические отходы растительного происхождения (шелуха злаков, кукурузный жмых) широко используются в США и других зарубежных странах. Распространено гранулирование сыпучих материалов в цветной металлургии. Особенно востребована технология получения окатышей в относительно новой отрасли металлургической промышленности, связанной с рециклингом и утилизацией сыпучих отходов производства, имеющих как рудную (железорудные пыли и шламы), так и нерудную (угольная, коксовая мелочь, керамические шихты) составляющую.

12

1.2. Общая характеристика технологии производства железорудных окатышей


      Металлургическая промышленность расходует 35 % электроэнергии, 25 % природного газа и угля, 10 % нефтепродуктов и 40 % минерального сырья [1, 2]. Ее доля в грузоперевозках составляет более 23 %, а рентабельность в промышленности самая высокая - 34,5 % [1]. Мировое производство железорудного сырья растет на 10-11 % в год и составляет более 1,3 млрд т (2020 г.) [1, 2]. В Китае рост производства сырья увеличился до 36 %, в Индии - 21 %, в Австралии - 19 %, в Бразилии и Аргентине - 10 % [3-5]. Наращивают производство сырья в Северной Европе (Швеция, Норвегия), Южной и Северной Америке, Бахрейне и др. [6-8]. Швеция с населением 9 млн человек добывает 46 млн т железной руды, производит железосодержащие брикеты и 30 млн т окатышей в год, являясь ведущим в мире поставщиком окисленных окатышей [6].
      Крупнейшими импортерами железорудного сырья являются Япония (132 млн т), Китай (275 млн т) и некоторые европейские страны [9-12]. В Японии железорудная часть шихты включает 75 % частично металлизованного агломерата и 25 % окатышей повышенной восстановимости [10]. Большинство доменных печей Северной Америки работает на шихте, состоящей из 100 % окатышей, а средний состав шихты включает 36,9 % офлюсованных и 49,6 % неофлюсован-ных окатышей, 8,4 % агломерата и 6 % руды. В шихте доменных печей Китая доля окатышей возросла до 35 % [10]. В западной Европе четыре доменные печи работают на 100 % окатышей, у 9 печей шихта содержит 10-40 % окатышей и в шихте 45 печей содержится 38 % окатышей [10]. В России шихта большинства доменных печей состоит из 60-90 % агломерата и 10-40 % окатышей. Печи двух заводов работают на 100 % окатышей [10]. Доля окатышей в железорудной части шихты доменных печей по отрасли составляет 29,6 % [11]. Мировое производство железорудных окатышей приближается к 400 млн т.
      Россия занимает пятое место в мире по производству железорудного сырья и находится на втором месте по его запасам [13]. В 2010 году рост товарной железорудной руды составил 27,1 %, а темпы роста производства железорудных окатышей достигли 24,7 % [1], что привело к росту содержания окатышей в шихте доменных печей на 10,0 % [15]. Прогнозируют, что в перспективе содержание окатышей в шихте доменных печей РФ возрастет до 40-60 % [16, 17].
      В России шесть крупных ГОКов (Лебединский, Михайловский, Стойленский, Качканарский, Костомукшский, Ковдорский), причем более половины железорудного сырья (ЖРС) производят ГОКи Курской магнитной аномалии [13, 17, 18] (Лебединский, Михайловский, Стойленский), млн т/год: концентрат -45,81, окатыши - 31,104, агломерат - 8,77, горячебрикетированное железо (ГБЖ) - 0,937 [13, 19]. В России производство окатышей превысило 40 млн т (2020 г.), а суммарное количество товарного ЖРС составило более 100 млн т/год. Причём 20 % сырья экспортируется, в том числе 11,7 млн т окатышей в год [12, 13]. Соотношение затрат на ГОКах в производстве сырья: карьер 4-10 %, дробильный цех 1-2 %, обогатительная фабрика 27-50 %, фабрика окатышей

13