2.4.2. Обжиговая печь для производства окатышей
Окатыши – это продукт обжига железорудных концентратов, полу- чаемый в виде гранул (комков, шариков) диаметром 10-20 мм. Процесс производства окатышей является процессом окускования и состоит из двух стадий: 1) получение сырых (мокрых) окатышей; 2) упрочнение сырых ока- тышей (подсушка и обжиг). Обычно весь двухстадийный процесс называют окомкованием. Вторая стадия окомкования несколько похожа на процесс агломерации. Но в отличие от агломерации проходит при подводе энергии вне слоя шихты и при пониженной температуре слоя. При окомковании возможно спекать очень тонкие фракции концентратов (менее 0,07 мм), что было затруднено при агломерации. К преимуществам окомкования надо отнести и высокую прочность окатышей, не разрушающихся при перевозке от горно-обогатительного комбината. С другой стороны, агломерат надо понимать шире, чем окускование, так как при агломерации удаляется сера и частично мышьяк, разлагаются карбонаты, и получается пористый офлю- сованный материал. В целом с теплотехнической точки зрения технологии агломерации и окомкования достаточно совершенны.
Обжиг окатышей осуществляется в шахтных печах, в машинах кон- вейерного типа и в комбинированных установках разнообразных конструк- ций. Наименее распространены шахтные печи, хотя они дешевы в строи- тельстве, почти не имеют движущихся механических узлов, просты по кон- струкции и имеют низкий расход топлива (15-25 кг у.т./т окатышей). Силь- ные стороны шахтных печей нивелированы существенными недостатками: плохая регулируемость температурного режима обжига окатышей, что
25
приводит к переоплавлению их и свариванию в грозди, а также низкая про- изводительность.
Наиболее распространен обжиг на машинах конвейерного типа. Схема производства окатышей на этих машинах приведена на рис. 2.7. Принцип работы следующий. Шихта, состоящая из возврата, концентрата, известня- ка и бентонита (мелкодисперсная глина – для связки) через шихтовый кон- вейер и смесительный барабан попадает на тарельчатый гранулятор, где увлажняется. Гранулятор представляет собой наклоненный диск диаметром
5,5-7,0 м, при вращении которого шихта постепенно превращается в грану- лы, комки. Из гранулятора разгружаются только те комки, которые имеют диаметр от 10 до 20 мм. Далее сырые комки поступают на движущуюся ко- лосниковую (обжиговую) ленту конвейерной машины (обжиговая печь).
Сырые окатыши укладываются на колосниковую ленту поверх слоя донной "постели" и рядом со слоями бортовой "постели". Донная "постель" имеет толщину 60-100 мм. Бортовая "постель" имеет высоту 400-500 мм и толщину 60-100 мм. Всё это позволяет отчасти защитить обжиговые ленты от разрушающего воздействия пламени газовых горелок. Нагрев окатышей осуществляется в слое высотой 350-550 мм.
На обжиговой машине процесс упрочнения включает две основные стадии: подсушка при 300-600
°С и непосредственно обжиг при
1200-1350
°С. В отличие от агломашины верх ленты перекрыт камерами в соответствии с делением на зоны сушки, подогрева, обжига, рекуперации и
Рис. 2.7. Схема производства окатышей:
I, II - зоны сушки; III - зона подогрева; IV - зона обжига; V - зона рекуперации;
VI, VII - зоны охлаждения;
1 - шихтовые бункера; 2 - сборный транспортёр; 3 - смесительный барабан; 4 - тарель- чатый гранулятор; 5 - загрузочная часть обжиговой машины; 6 - разгрузочная часть машины; 7 - горелки
26
охлаждения. В зонах подогрева и обжига нагрев происходит за счёт сжига- ния топлива в горелках и просасывания продуктов горения через слой ока- тышей. Температура уходящих газов из слоя составляет 225-450
°С.
Основное упрочнение окатышей происходит при температуре от 1000 до 1300
°С, когда происходит собирательная рекристаллизация Fe
2
O
3
, т.е. объединение мелких зёрен в крупные. Дополнительное упрочнение проис- ходит при температуре 1200-1350
°С за счёт образования жидкой шлаковой фазы из легкоплавких соединений (CaO
⋅Fe
2
O
3
и др.), которые при охлажде- нии затвердевают внутри окатышей. Шлаковая связка между окатышами слаба из-за небольшой площади контакта. Если в процессе обжига превы- сить температуру 1350
°С, то произойдёт оплавление поверхности окаты- шей и спекание в грозди. Кроме того, произойдёт распад Fe
2
O
3
до уровня
Fe
3
O
4
и снизится прочность окатышей.
Охлаждение окатышей осуществляется холодным воздухом продув- кой и просасыванием через слой. Температура разгружаемых с машины окатышей 90-375
°С. Скорость охлаждения не должна быть больше
100 К/мин. во избежание создания высоких термических напряжений и снижения прочности окатышей.
Суммарное время пребывания окатыша на ленте составляет 30-40 ми- нут.
Ориентировочные материальный и тепловой балансы получения ока- тышей в машинах конвейерного типа приведены в табл. 2.9 и 2.10. Балансы составлены по начальным и конечным состояниям материалов и газовоз- душных потоков. Тепловой баланс составлен для обжига офлюсованных окатышей с повышенным содержанием серы.
Расход топлива при обжиге составляет в среднем 25-35 кг у.т./т ока- тышей, но в зависимости от типа обжиговой машины, состава шихты, тре- буемого содержания серы в обожженных окатышах и от температуры об- жига может возрастать до 60 кг у.т./т.
Таблица 2.9
Ориентировочный материальный баланс обжига окатышей (кг/кг)
Приход
На 1 кг окатышей
Расход
На 1 кг окатышей
1. Сырые окатыши 1,048 1.
Обожженные окатыши 1,000 2. Донная "постель" 0,325 2.
Донная "постель" 0,325 3. Воздух на окисление магнетита
(Fe
3
O
4
)
0,130 3. Газовыделение (Н
2
О, СО
2
,
N
2
)
0,178 4. Бортовая "постель" 0,094 4.
Бортовая "постель" 0,094
Итого 1,597
Итого 1,597
27
Таблица 2.10
Ориентировочный тепловой баланс слоя окатышей в обжиговой печи (на 1 кг обожженных окатышей)
Приход кг кДж
%
Расход кг кДж
%
1. Химическая энергия горения топлива
1480 69,8 1. Физическая теплота уходяще- го дыма
810 38,3 2. Химическая энергия окисле- ния магнетита
419 19,8 2. Потери теплоты в окружаю- щую среду
356 16,8 3. Физическая теплота металла ленты
122 5,8 3. Физическая теплота металла ленты
349 16,5 4. Физическая теплота воздуха, поступающего в зону охлажде- ния
73 3,5 4.
Теплота испарения влаги 248 11,7 5. Физическая теплота сырых окатышей
18 0,8 5. Физическая теплота обож- женных окатышей
174 8,2 6. Физическая теплота донной и бортовой "постели"
7 0,3 6. Химическая энергия на дис- социацию известняка
105 4,9 7. Физическая теплота донной и бортовой "постели"
77 3,6
Итого 2119 100,0 Итого 2119 100,0
Для снижения расхода топлива можно предложить следующее:
1. использование физической теплоты окатышей для подогрева воздуха;
2. совершенствование температурных режимов нагрева шихты на основе моделирования теплообмена по зонам обжиговой машины;
3. организация частичного восстановления сырья (металлизация окаты- шей).
2.5. Печи металлизации Печь металлизации – печь, предназначенная для прямого получения чистого железа без расхода металлургического кокса. Полученный метал- лизированный продукт является шихтой для сталеплавильного производст- ва и состоит из чистого железа, окислов железа и других компонентов. При
этом вводится такой показатель, как степень металлизации, равный доле
(проценту) металлического железа от общего содержания железа в метал- лизированном продукте, включая окислы железа. Шихта для выплавки ста- ли должна иметь степень металлизации не менее 90-93 % и содержание же- леза в исходной шихте должно составлять не менее 68-70 %.
В зависимости от температуры процесса металлизации, конечный продукт получается в виде губчатого железа, крицы или жидкого чугуна.
Губчатое железо (железная губка) – пористый кусковой или пылевид- ный продукт, получаемый в твёрдом виде непосредственно из железной руды или её концентратов восстановлением содержащихся в них окислов
28
твёрдым углеродом при температуре 1200-1250
°С или газообразными вос- становителями Н
2
и СО (при температуре 850-900
°С). В любом случае губчатое железо содержит загрязнения (жильная порода руды, угольная зо- ла), которые удаляются только в сталеплавильных печах. Основные схемы устройств для получения губчатого железа приве- дены на рис. 2.8.
Крица – твёрдая губчатая масса железа со шлаковыми включения- ми, заполняющими поры и полости, получаемая непосредственно из руды путём её восстановления при температуре 1250-
1350
°С углем во вра- щающихся трубчатых пе- чах. В отличие от процес- сов получения губчатого железа кричный процесс заканчивается при более высокой температуре, при которой пустая поро- да частично расплавляет- ся, образуя вязкий тесто- образный шлак. В шлак включены частицы ме- талла, укрупняющиеся при вращении печи по ходу процесса. Использо- вание железных руд с со- держанием железа более
35-40 % исключается, т.к. для протекания процесса образования крицы необ- ходимо большое количе- ство шлака. В связи с не- экономичностью и не- удовлетворительным качеством продукции кричный процесс утратил про- мышленное значение.
Жидкий чугун (сплав железа с углеродом) получается в печах метал- лизации путём восстановления руды углем при температуре около 1500
°С,
Рис. 2.8. Технологические схемы основных процессов производства губчатого железа:
А - процесс в реторте периодического действия (Hyl-1);
Б - процессы во вращающейся трубчатой печи (СЛ-РН);
В - процессы в реакторе с кипящим слоем (FIOR);
Г - процессы в шахтных печах (Мидрекс);
1 - газ для предварительного нагрева, восстановления и охлаждения; 2 - руда; 3 - горючий газ; 4 - газовый ри- формер (конверсионная установка); 5 - природный газ;
6 - воздух или рециркулирующий колошниковый газ;
7 - газ-восстановитель; 8 - губчатое железо; 9 - отходя- щий газ; 10-12 - ступени I-III; 13 - газ-восстановитель;
14 - губчатое железо; 15 - руда и уголь; 16 - вращаю- щийся холодильник
29
т.е. в жидком расплаве. За счёт этого достигается очень высокая скорость восстановления железа. Жидкий чугун имеет лучшее качество по примесям по сравнению с губчатым железом и крицой.
В зависимости от конечного продукта различают печи твёрдофазного и жидкофазного восстановления (металлизации). В печах твёрдофазного восстановления применяют твёрдые и газообразные восстановители. Печи также делят на непрерывного действия (шахтные, трубчатые) и периодиче- ского действия (камерные на основе реторт и чаш). Наиболее распростра- нены печи твёрдофазной металлизации на основе технологии Мидрекс
(шахтные печи, газообразный восстановитель) и на основе технологии
СЛ-РН с твёрдым восстановителем (вращающиеся трубчатые печи, твёр- дый восстановитель). Основные технологические схемы твёрдофазной ме- таллизации приведены на рис. 2.8. Из печей жидкофазной металлизации наиболее распространены шахтные печи на основе технологии Корекс.
Ниже рассмотрим только печи технологий Мидрекс и Корекс. Прин- цип работы печей СЛ–РН похож на работу трубчатых вращающихся печей для обжига известняка (см. стр. 11).
2.5.1. Печи твердофазной металлизации (технология
Мидрекс)
Рассмотрим технологию твердофазной металлизации, разработанную фирмой "Мидлен Росс" (США) и известную как Мидрекс. При восстанови- тельном процессе Мидрекс оксид железа в виде окисленных обожженных окатышей и (или) кусковой руды превращается в металлизированный про- дукт, пригодный для выплавки стали в электродуговой печи. Восстанови- тельный процесс протекает в шахтной печи, в которой горячий восстанови- тельный газ взаимодействует с рудой, опускающейся под действием силы тяжести. Процесс происходит при температуре ниже точки размягчения шихты. В качестве восстановительных газов используются оксид углерода и водород, которые образуются в газовой конверсионной установке.
Схема этого технологического процесса приведена на рис. 2.9. Прин- цип организации технологии следующий. Обожженные окатыши с высо- ким содержанием железа перемешиваются с мелкими фракциями (рудная мелочь) и загружаются в шахтную печь металлизации. Высота печи около
50-70 м. Навстречу этой шихте снизу вверх поднимается конвертирован- ный газ, содержащий примерно 35 % СО и 65 % Н
2
и имеющий начальную температуру около 760-800
°С и давление около 2 ата. Этот восстанови- тельный газ подают через ряд фурм по периметру печи. Газ нагревает ших- ту и восстанавливает содержащиеся в ней оксиды FeO, Fe
2
O
3
и Fe
3
O
4
. На выходе из печи газ насыщен СО
2
и Н
2
О и имеет температуру 300-400
°С.
Зона восстановления занимает примерно 60 % общего объёма. Ниже фурм
30
расположена зона охлаждения, где металлизованные окатыши охлаждают- ся оборотными газами, прошедшими предварительную мокрую очистку от пыли. К охлаждающим газам может быть добавлено небольшое количество природного газа, обеспечивающего частичное науглероживание металли- зованных окатышей.
Охлажденные окатыши обычно имеют степень металлизации пример- но 90-94 %. Металлизованные охлажденные окатыши непрерывно выгру- жаются посредством маятникового питателя в бункер, где хранятся в инертной атмосфере перед плавкой в дуговых печах. Необходимость в инертной среде связана с высокой скоростью окисления окатышей на воз- духе. С помощью маятникового питателя регулируется время пребывания окатышей в печи с целью обеспечения постоянной степени металлизации окатышей.
Все этапы процесса Мидрекс проходят под относительно небольшим давлением (1,3-2 ата), поэтому для предотвращения выхода из печи газов устройства для загрузки шихты и выдачи металлизированных окатышей уплотнены при помощи так называемых газовых динамических затворов. В эти затворы вдувается инертный газ и часть дымовых обезвоженных газов, образующихся при сжигании топлива в конверсионной установке.
Рис. 2.9. Схема процесса Мидрекс для получения металлизованных окатышей в шахтной печи:
1 - линия
нейтрализации излишков колошникового газа; 2 - теплообменник (рекупера- тор); 3 - смеситель газов; 4 - конверсионная установка; 5 - компрессор; 6 - скруббер для колошникового газа; 7 - шахтная печь металлизации; 8 - скруббер; 9 - вибрационный грохот; 10 - брикетный пресс
31
Восстановительный газ вырабатывается в конверсионной установке из смеси природного газа и очищенного от пыли колошникового газа, отве- дённого из верхней части шахтной печи. Эта смесь предварительно подог- ревается до 400
°С в рекуператоре (поз. 2 на рис. 2.9). Для упрощения схе- мы на рис. 2.9 подвод смеси к рекуператору и отвод от него не показаны.
Подогрев смеси увеличивает эффективность работы конверсионной уста- новки. Корпус конверсионной установки представляет собой газоплотную сварную стальную конструкцию длиной 40 м, шириной 10 м и высотой
10 м, разделенную на ряд секций. Изнутри установка футерована огне- упорными материалами, т.к. температура в рабочем пространстве около
1100
°С. Внутри установки находятся несколько сотен реакционных труб, заполненных катализатором, через которые проходит газ. Установка отап- ливается с помощью десятков (сотен) горелок, установленных в днище.
Дымовые газы отсасываются через отверстия в боковых стенах конверси- онной установки.
Восстановительный газ получается из природного газа в присутствии никелевого катализатора, поэтому во избежание отравления катализатора, природный газ должен быть очищен от следов серы (серы должно быть не более 0,0014 %).
Конверсия представляет, в основном, расщепление углеводородов в атмосфере СО
2
и Н
2
О на продукты распада СО и Н
2
:
СН
4
+ СО
2
→ 2 СО + 2 Н
2
;
СН
4
+ Н
2
О
→ СО + 3 Н
2
Еще раз можно отметить, что СО
2
и Н
2
О попадают в конверсионную установку из колошникового газа. В результате этих реакций объем газа увеличивается примерно на 30 %. Избыточная часть колошникового газа
(после прохода через шахту печи) идёт на дожигание в конверсионной ус- тановке. Дымовые газы из конверсионной установки отдают часть теплоты воздуху горения в рекуператоре и далее выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.
Недостаток технологии Мидрекс связан с низкой скоростью восста- новления железа газом. Отсюда следует, что для обеспечения приемлемой производительности нужна очень высокая печь.
Расход топлива на технологический процесс составляет
360-430 кг у.т./т металлизованных окатышей. Общая тепловая мощность установки металлизации составляет 10,5-12,5 МДж/т металлизованных ока- тышей.
32
Таблица 2.11
Ориентировочный материальный баланс шахтной печи технологии Мидрекс (кг/кг)
Приход
На 1 кг мет. окатышей
Расход
На 1 кг мет. окатышей
1. Окисленные окатыши 1,375 1.
Металлизированные окатыши
1,000 2. Восстановительный газ 1,018 2.
Колошниковый газ 1,398 3. Охлаждающий газ 0,681 3.
Охлаждающий газ 0,681 4. Инертный газ 0,072 4.
Инертный газ 0,044 5.
Природный газ в зоне охлаждения0,009 5.
Шлам 0,019
Итого 3,155
Итого 3,155
Таблица 2.12
Ориентировочный тепловой баланс шахтной печи технологии Мидрекс (на 1 кг металлизированных окатышей)
Приход кг кДж
%
Расход кг кДж
%
1. Химическая энергия восста- новительного газа
20173 89,14 1. Химическая энергия колош- никового газа
14000 61,87 2. Физическая теплота восста- новительного газа
1736 7,70 2. Химическая энергия металли- зированного продукта
6822 30,15 3. Химическая энергия природ- ного газа (в зоне охлаждения)
400 1,77 3. Физическая теплота колош- никового газа
1017 4,50 4. Физическая теплота охлаж- дающего газа
48 0,21 4. Физическая теплота охлаж- дающего газа
513 2,27 5. Невязка 310 1,18 5.
Химическая энергия шлама 206 0,93 6.
Потери с охлаждающей водой
25 0,12 7. Физическая теплота металли- зированного продукта
24 0,11 8.
Потери в окружающую среду 19 0,08
Итого 22630 100 Итого 22630 100
Одним из достоинств технологии Мидрекс является высокое качество продукции по сере и фосфору, т.к. исключается ввод серы и фосфора с уг- лём. Кроме этого, низким является содержание серы в руде, т.к. использу- ются обожженные окатыши. Важным преимуществом технологии Мидрекс является простота конструкции шахтной печи и довольно большой срок службы без ремонта (около 18 месяцев).
Для снижения расхода топлива можно рекомендовать следующее:
1. добавку в шихту 10-30 % кусковой руды или использование окатышей на доломитовой связке. При этом уменьшается склонность шихты к спеканию, что позволяет применить более высокие температуры вос- становления и, соответственно, повысить производительность установ- ки;
33 2. использование физической теплоты колошникового газа и оборотного газа путём размещения перед скруббером аппаратов сухой очистки и дополнительного рекуператора для подогрева воздуха горения, топлива или газа перед конверсионной установкой;
3. применение очищенного коксового газа
взамен природного газа в каче- стве восстановителя;
4. совмещение установки обжига окатышей и печи металлизации без глу- бокого охлаждения окатышей (горячий посад). За счёт этого можно понизить температуру конверсионного газа;
5. оптимизацию тепловых режимов, которые обеспечат максимальную металлизацию при минимальных расходах топлива;
6. обеспечение равномерной тепловой обработки окатышей газовым по- током по поперечному сечению шахты, для повышения производи- тельности за счёт увеличения диаметра печи;
7. интенсификацию теплообмена в конверсионной установке с целью снижения температуры отходящих дымовых газов.
Скачать 2.15 Mb.