Agglomerering (metallurgi)

Agglomerering (av lat.  agglomero  - fästa, ackumulera) - en metod för termisk agglomerering av siltig finmalm , koncentrat och metallhaltigt avfall genom sintring av dem. Den mest använda agglomerationen är för framställning av järnmalmsråvaror för metallurgisk produktion av tackjärn [1] [2] . De processer som sker i det sintrade laddningsskiktet under agglomerering liknar i många avseenden processerna för partikelsintring vid tillverkning av keramik och i pulvermetallurgiska processer [3] .

Agglomerering används vid rostning av järnmalmer och koncentrat, samt malmer och koncentrat av icke-järnmetaller [4] . Järnmalmssinter, tillsammans med pellets , används i produktionen av tackjärn som den huvudsakliga råvaran [5] .

Historik

Agglomeration som metod för agglomeration upptäcktes av en slump 1887 av de engelska forskarna F. Geberlein och T. Hatington under experiment med avsvavlingsrostning av icke-järnmetallmalmer på ett galler [6] . Rostning utfördes enligt följande. Ett lager av brinnande bitar av koks eller kol hälldes på gallret , på vilket ett lager av sulfidmalm sedan lades. Underifrån tillfördes luft från fläkten genom gallret. Genom att passera genom bränslelagret gav luften sin intensiva förbränning. Heta förbränningsprodukter, som rörde sig längre, värmde upp malmskiktet ovanför. Vid temperaturer på 400–500°C antändes sulfider. Som ett resultat av deras förbränning frigjordes ytterligare värme, som överfördes av ett gasflöde till det ännu högre belägna malmskiktet. Sålunda rörde sig sulfidförbränningszonen i gasrörelsens riktning och passerade sekventiellt genom hela malmskiktet på rosten. Rostning av malmen skedde utan värmetillförsel utifrån, endast på grund av den värme som frigjordes vid förbränning av sulfider. "Antändnings"-bränsle (bitar av glödhet koks eller kol), som ligger i början på gallret, tjänade endast till att antända sulfiderna i malmen i det lägsta lagret [7] .

Under forskningens gång visade det sig att vid rostning av malmer med hög svavelhalt frigjordes så mycket värme och temperaturen steg till en sådan nivå att de brända malmbitarna smälte till varandra. Efter slutet av processen förvandlades malmskiktet till en kristalliserad porös massa - sintrad. Bitar av krossad kaka, som kallades "agglomerat", visade sig vara ganska lämplig för gruvsmältning när det gäller deras fysikaliska och kemiska egenskaper [7] .

Teknikens jämförande enkelhet och den höga termiska effektiviteten hos oxidativ rostning i lager av sulfidmalmer uppmärksammades av specialister inom järnmetallurgi . Det fanns en idé att utveckla en termisk metod för agglomerering av järnmalmsmaterial baserad på en liknande teknik. Frånvaron av svavel som värmekälla i järnmalmer var tänkt att kompenseras genom att tillsätta små partiklar av kolhaltigt bränsle till malmen: kol eller koks. Järnmalmsagglomerat med denna teknik i laboratoriet erhölls först i Tyskland 1902-1905. [åtta]

Den första industriella installationen för produktion av sinter var Geberlein-pannan - en konisk stålskål, på något avstånd från botten av vilken ett galler var fixerat, och i botten fanns ett grenrör för att tillföra bläster från fläkten. Processen kännetecknades av det faktum att värmekällan för uppmjukning och delvis smältning av malmkorn var förbränning av partiklar av kol eller koks . Ett tunt lager av agglomerationsladdning, en blandning av fin våt malm med partiklar av koks, täcktes med ett tunt lager av bitar av glödhett fast bränsle på rosten. Därefter slogs sprängningen på och gasen som värmdes upp i bränslelagret som brann på rosten steg upp och antände och brände bränslet som fanns i laddningen i det nedre lagret av det sintrade materialet. När förbränningszonen nådde ytan laddades nästa lager av sinterladdningen. Således fortsatte processen tills hela skålen var fylld med färdigt agglomerat (en panna med en kapacitet på 15 ton fylldes inom 12 timmar). Efter det stängdes fläkten av, pannan välte och det resulterande blocket av agglomerat bröts manuellt i mindre bitar [9] .

I Ryssland togs de första 6 Geberlein-pannorna i drift 1906 vid Taganrog-anläggningen och 1914 ytterligare 5 skålar vid Dnepr metallurgiska anläggning . Samtidigt, under samma år, utfördes arbete för att skapa alternativa sintringsanläggningar, utan nackdelarna med Geberlein-pannor: låg produktivitet, hårt fysiskt arbete för arbetare. Utformningar av sinterskålar med betydligt bättre tekniska egenskaper har utvecklats. Åren 1914-1918. vid Dneprovsky-fabriken byggdes en sinterfabrik med rektangulära (stationära) skålar av Grinewalt-systemet, och 1925 vid Goroblagodatsky-gruvan  - en fabrik med 28 runda skålar (diameter 2,3 m) av det svenska företaget AIB. I princip gick agglomereringsprocessen i skålarna till på samma sätt som i Geberlein-pannorna. Skillnaden var att tjockleken på det sintrade skiktet reducerades till 250-300 mm, och blåsläget ersattes av ett vakuumläge - luft sögs in i skiktet ovanifrån på grund av den sällsynthet som skapades av fläktarna under gallret. Därför utfördes antändning (antändning av fasta bränslepartiklar av laddningen) också ovanifrån. I rektangulära skålar utfördes antändning med hjälp av mobila brandugnar med gasbrännare [10] .

Eftersom var och en av de nämnda sinteranläggningarna hade en eller annan betydande nackdel (en av de allvarligaste är låg produktivitet), användes varken skålar eller rörugnar i stor utsträckning inom metallurgin. Ett genombrott inom området för agglomerering av malmer gjordes av två amerikanska ingenjörer A. Dwight och R. Lloyd, som 1906 utvecklade en design och 1911 tog den första kontinuerliga sintringsmaskinen för transportörer i drift. Processen med sintring av malm fortgick enligt samma princip som i Geberlein-pannor eller i skålar - den värme som var nödvändig för att smälta malmkorn frigjordes under den skiktade förbränningen av fasta bränslepartiklar som ett resultat av att luft sögs genom laddningen som lades på rosten . Framgången i den snabba och breda distributionen av sintring som den huvudsakliga metoden för agglomerering av järnmalmsmaterial var förutbestämd av den mycket framgångsrika designen av sintringsmaskinen. Sintringsytan för den första Dwight-Lloyd sintermaskinen var 8,1 m 2 (med en bandbredd på 1,05 och en längd på 7,7 m); daglig produktivitet - 140 ton agglomerat under sintring av rökgasdamm [11] .

Under 1990-talet ökade sintringsmaskinernas storlek oändligt mycket - sintringsarean ökade till 600 m 2 eller mer: den dagliga produktionen nådde 15 000-18 000 ton sinter. De stålsorter som olika maskindelar tillverkas av har förändrats, men maskinernas grundläggande arrangemang har förblivit oförändrad [11] .

Roll i processerna för järnmetallurgi

Agglomerering av järnmalmskoncentrat (ibland blandat med malm, avfall från metallurgisk produktion) är den sista operationen i komplexet av åtgärder för att förbereda järnmalm för masugnssmältning. Huvudsyftet med denna operation är att omvandla fint malmkoncentrat till större bitar - agglomerat, vars användning vid masugnssmältning säkerställer bildandet av ett laddningsskikt med god gaspermeabilitet, vilket är ett oumbärligt villkor för högpresterande drift av en masugn.

Högintensiv masugnssmältning är möjlig med en stor mängd koks som bränns i en masugns härd, vilket å ena sidan leder till att en stor mängd värme släpps ut och å andra sidan till bildning av fritt utrymme i den nedre delen av ugnen (på grund av förgasning av fast koks), där kolonnen sänks masugnsladdning. God gaspermeabilitet hos laddningen krävs för att en stor volym gaser som bildas vid förbränning av koks ska hinna passera genom skiktets mellanklumpskanaler med relativt små gastrycksfall mellan härden och toppen (150–200 kPa kl. en höjd på laddningsskiktet på 20–25 m) [8] .

Teknik

Sammansättningen av avgiften

Det allmänna schemat för sintringsprocessen genom sug inkluderar följande steg.

En typisk laddning som går till produktion av järnmalmsinter består av följande komponenter:

  1. fint järnmalmsmaterial, vanligtvis ett koncentrat;
  2. krossat bränsle - koks ( fraktion 0-3 mm), innehåll i laddningen 4-6%;
  3. krossad kalksten (fraktion 0-3 mm), innehåll upp till 8-10%;
  4. retur - undermåligt agglomerat från föregående sintring (fraktion 0-8 mm), innehåll 25-30%;
  5. järnhaltiga tillsatser - rökgasdamm från masugnar, skala från valsverkstäder, pyritcinder av svavelsyraproduktion etc. (fraktion 0-3 mm), innehåll upp till 5%.

Komponenterna som doseras i ett givet förhållande blandas, fuktas (för att förbättra pelletiseringen ) och efter pelletisering utan packning laddas de på ett galler med ett lager på 300-400 mm. Slå sedan på kompressorn - en fläkt som arbetar för sug. En sällsynthet skapas under rosten, på grund av vilken en ström av heta ugnsgaser först sugs in i skiktet, vilket säkerställer "antändning" av laddningen, det vill säga ytskiktet värms upp till cirka 1200 ° C (inom 1,5– 2,0 min). Den atmosfäriska luften som sedan kommer in i bädden under resten av processen säkerställer en intensiv förbränning av laddningskokspartiklar. I zonen med maximala temperaturer (1400–1450°C) smälter malmkornen delvis, klibbar ihop och sedan, under efterföljande kristallisation, bildas en porös struktur - agglomerationssinter.

Zonläge

Vid varje tidpunkt sker antändning av bränslepartiklar uppvärmda till 700–800 °C i laddningsskiktet intill förbränningszonens nedre gräns. Samtidigt slutar förbränningen av bränslepartiklar vid den övre gränsen av förbränningszonen. Som ett resultat rör sig förbränningszonen, kombinerad med smältzonen, kontinuerligt nedåt, i riktning mot gasflödet, som om den "tränger" in i skiktet av den initiala laddningen och lämnar efter sig en zon av kylande sinter.

Processens bestämningszon är horisonten med maximal temperatur - smältzonen - zonen för sinterbildning. Ovanför denna zon finns ett lager av porös agglomerationskaka. I zonen för intensiv uppvärmning som är belägen nedanför värms det sintrade materialet snabbt upp med en hastighet av upp till 800 grader/min och samma snabba kylning av förbränningsprodukterna äger rum. När man lämnar denna zon kommer gas med en temperatur på 300–400 °C in i den våta laddningen och en torkningszon bildas. I denna zon kyls gasen till 50–60 °C och lämnar den mättad med vattenånga. I den kalla laddningen som ligger under (15–20 °C) kyls gasen, blir övermättad och en del av vattenångan i denna kondensationszon avsätts i form av droppar på laddningsklumparna, vilket ökar deras fukthalt. Eftersom kondensationszonens rörelsehastighet är flera gånger högre än rörelsehastigheten längs skiktet i torkzonen, bildas ett skikt av vattensjuk laddning mellan dessa zoner över tiden. I detta fall minskar tjockleken på det initiala laddningsskiktet snabbt.

Den totala agglomerationstiden kan delas in i tre perioder:

Processen anses vara avslutad när sinterbildningszonen når gallret på sintringsvagnarna . Vid en vertikal sintringshastighet av 20 mm/min förvandlas ett laddningsskikt 300 mm tjockt till ett agglomerat på 15 minuter.

Funktioner i processen

Den moderna sintringsprocessen tillhör den skiktade typen, när luften som passerar genom det sintrade malmmaterialet säkerställer förekomsten av två huvudprocesser:

  1. förbränning av fast bränsle laddning och
  2. överför värme från ett elementärt lager till ett annat.

I detta avseende kan höga tekniska och ekonomiska indikatorer för sintringsprocessen endast uppnås med en intensiv lufttillförsel till det sintrade lagret. Samtidigt har sintringsblandningar som innehåller pulveriserade järnmalmskoncentrat (med en partikelstorlek på mindre än 0,1 mm) ett mycket högt gasdynamiskt motstånd. Därför är en obligatorisk förberedande operation pelletering av laddningar - processen att bilda granuler med en storlek på 2-8 mm. Ett skikt av en sådan pelletiserad, väl gaspermeabel blandning gör det möjligt att uppnå höga gasflödeshastigheter (upp till 0,5–0,6 m/s) med relativt små tryckfall över och under skiktet (10–15 kPa).

En av de karakteristiska egenskaperna för agglomerationen av järnmalmsmaterial är intensiv värme- och massöverföring i laddningsskiktet på grund av dess höga specifika yta (30–50 cm 2 /cm 3 ). Detta förklarar den relativt lilla höjden (15–40 mm vardera) på zonerna med smältning, intensiv uppvärmning, torkning och kondensation. Konsekvensen av denna egenskap hos processen är en kort uppehållstid för varje elementär volym av det sintrade materialet vid höga temperaturer - 1,5–2,0 min. Därför måste teknologer säkerställa sådana förhållanden (partikelstorlek hos laddningskomponenterna, gashastighet i skiktet, etc.) så att de viktigaste kemiska, mineralogiska och fysikaliska processerna kan slutföras på denna korta tid för att säkerställa produktionen av ett agglomerat av erforderlig kvalitet: kol- och svavelutbränning, karbonatdissociation, uppvärmning av malmpartiklar till smälttemperaturer, deras vidhäftning, etc.

Den andra egenskapen hos agglomereringsprocessen är förekomsten av ett ojämnt temperaturfält i volymen av det sintrade materialet. På grund av punktfördelningen av bränslepartiklar i laddningen, alternerar förbrännings-smältningscentra med områden av materialet (laddning eller sinter) som är i fast tillstånd. Som ett resultat av lokal krympning av det smälta materialet bildas porer 3–10 mm stora i förbränningskammaren. På grund av detta särdrag bevaras en porös tillräckligt gasgenomsläpplig skiktstruktur i zonen för existens av smältor. Ytterligare porer uppstår under frigörandet av gaser från förbränning av kol, svavel, dissociation av karbonater, reduktion av järnoxider, etc.

Den tredje egenskapen med agglomeration är att förbränningen av bränslepartiklar i skiktet sker under förhållanden med dubbel värmeregenerering: luften som kommer in i förbränningszonen förvärms till 1000–1100 °C i skiktet av kylsinter, och bränslet (och resten av laddningen) före antändning värms upp till 700-800 °C av flödet av heta gaser som lämnar förbränningszonen. Under cirka 80 % av sintringstiden har gasen som lämnar skiktet en temperatur på 50–60°C. Detta innebär att huvudmängden värme från antändning och förbränning av kolet från laddningens fasta bränsle förblir inuti skiktet och deltar i värmeväxlingsprocesser.

En annan positiv egenskap med agglomerationen av järnmalmsmaterial är att, som ett resultat av den partiella reduktionen av järnoxider i zonen med måttliga temperaturer, sänks smältpunkterna för sådana reducerade material avsevärt med 150–200 °C, vilket avsevärt minskar behovet av värme i processen, vilket gör det möjligt att minska bränslehalten i laddningen samtidigt som en tillräckligt hög hållfasthet hos sintern bibehålls. Ovanstående gör agglomerering genom sug till en extremt effektiv process när det gäller termisk prestanda: med en kolhalt i laddningen på endast 3–5 % är det möjligt att värma det sintrade materialet till 1400–1450 °C [13] .

Jämförelse med andra agglomerationsmetoder

Sedan 1955, i världens metallurgi i industriell skala, började de använda en ny metod för att agglomerera fina järnmalmskoncentrat - produktion av pellets . Under smältningen av pellets i amerikanska masugnar minskade den specifika förbrukningen av koks, och ugnarnas produktivitet nästan fördubblades. Tack vare en aktiv reklamkampanj som lanserats av teknikutvecklare och utrustningstillverkare av pelletsfabriker har många metallurger intrycket att pellets har obestridliga fördelar jämfört med sinter. Sovjetunionens MCM beslutade att den strategiska riktningen för utvecklingen av undersektorn för beredning av järnmalm för masugnssmältning är den intensiva konstruktionen av fabriker för produktion av pellets med en gradvis minskning, och i slutändan med fullständig eliminering av sinterproduktion. Eventuella försök från vetenskapsmän och produktionsarbetare på 60-talet. XX århundradet för att ge en objektiv bedömning av den nya metoden för agglomeration var avgörande undertryckt. Resultaten av driften av ett antal masugnar i Japan på väl förberedd flussmedelssinter i jämförelse med smältning av pellets (icke flussad) tystades ner. Resultaten av en sådan tendentiös teknisk politik lät inte vänta på sig. Kort efter att man började använda SSGOK- pellets vid masugnssmältning vid MMK , fick masugnar stängas i nödfall på grund av intensivt slitage på laddningsanordningar och eldfast foder, på grund av en betydande ökning av dammhalten i masugnsgas på grund av den kraftiga förstörelsen av pellets under masugnssmältning.

Den objektiva analysen som följde dessa händelser visade att pellets inte är "absolut" den bästa typen av agglomererad malm. De har ett antal allvarliga nackdelar jämfört med agglomeratet:

Den största fördelen med agglomerering är dess mångsidighet - sintringsprocessen är ganska framgångsrik med användning av malmmaterial i ett brett spektrum av storlekar (från 0 till 10 mm); vissa avvikelser från de optimala parametrarna är tillåtna när det gäller laddningens fukthalt, innehållet av fast bränsle i den, etc.

Den otvivelaktiga fördelen med pellets framför sinter är deras goda transportbarhet: de förstörs lite under järnvägs- eller sjötransporter. Det är därför tillrådligt att agglomerera fint malmkoncentrat genom att producera pellets om gruvanläggningen (med en processanläggning) är belägen på ett avsevärt avstånd från den metallurgiska anläggningen.

Bland metallurger finns det en åsikt att agglomeration och pelletsproduktion inte konkurrerar, utan kompletterar metoder för agglomeration [14] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Korotich, 2009 , sid. fjorton.
  2. ↑ Kozlovsky, 1984 , sid. 43.
  3. ↑ Korotich, 2000 , sid. 345-354.
  4. ↑ Korotich, 2000 , sid. 74.
  5. ↑ Korotich, 2000 , sid. 186.
  6. ↑ Kozlovsky, 1984 , sid. 44.
  7. ↑ 1 2 Korotich, 2009 , sid. 16.
  8. ↑ 1 2 Korotich V. I. , Frolov Yu. A., Bezdezhsky G. N. Agglomerering av malmmaterial. - Jekaterinburg: GOU VPO "UGTU-UPI", 2003. - S. 16-17. — 400 s. — ISBN 5-321-00336-X .
  9. ↑ Korotich, 2009 , sid. 16-17.
  10. ↑ Korotich, 2009 , sid. 17.
  11. ↑ 1 2 Korotich, 2009 , sid. arton.
  12. ↑ Korotich, 2009 , sid. 285.
  13. ↑ Korotich, 2009 , sid. 27-31.
  14. ↑ Korotich, 2009 , sid. 26-27.

Litteratur

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
  • Teknisk (1 upplaga)