Aglomerare (metalurgie)

Aglomerare (din lat.  agglomero  - atașare, acumulare) - o metodă de aglomerare termică a minereurilor fine , concentrate și a deșeurilor care conțin metal prin sinterizarea acestora. Cea mai utilizată aglomerare este pentru prepararea materiilor prime de minereu de fier pentru producerea metalurgică a fontei [1] [2] . Procesele care au loc în stratul de sarcină sinterizat în timpul aglomerării sunt în multe privințe similare cu procesele de sinterizare a particulelor în producția de ceramică și în procesele de metalurgie a pulberilor [3] .

Aglomerarea este utilizată la prăjirea minereurilor și concentratelor de fier, precum și a minereurilor și concentratelor de metale neferoase [4] . Sinterizarea minereului de fier, împreună cu pelete , este utilizată în producția de fontă brută ca materie primă principală [5] .

Istorie

Aglomerarea ca metodă de aglomerare a fost descoperită întâmplător în 1887 de către cercetătorii englezi F. Geberlein și T. Hatington în timpul experimentelor de prăjire cu desulfurare a minereurilor de metale neferoase pe grătar [6] . Prăjirea a fost efectuată după cum urmează. Pe grătar a fost turnat un strat de bucăți de cocs sau cărbune arzând , pe care a fost apoi așezat un strat de minereu sulfurat. De jos, aerul era furnizat de la suflantă prin grătar. Trecând prin stratul de combustibil, aerul asigura arderea sa intensă. Produsele fierbinți de ardere, deplasându-se mai departe, au încălzit stratul de minereu situat deasupra. La temperaturi de 400–500°C, sulfurile s-au aprins. Ca urmare a arderii lor, a fost eliberată căldură suplimentară, care a fost transferată printr-un flux de gaz către stratul de minereu situat și mai sus. Astfel, zona de ardere a sulfurilor s-a deplasat în direcția de mișcare a gazului, trecând secvențial prin întregul strat de minereu situat pe grătar. Prăjirea minereului s-a realizat fără aport de căldură din exterior, doar datorită căldurii degajate în timpul arderii sulfurilor. Combustibil de „aprindere” (bucăți de cocs sau cărbune înroșit), situat la început pe grătar, servea doar la aprinderea sulfurilor minereului din stratul cel mai de jos [7] .

În cursul cercetărilor, s-a dovedit că în timpul prăjirii minereurilor cu un conținut ridicat de sulf , s-a eliberat atât de multă căldură și temperatura a crescut la un asemenea nivel încât bucățile de minereu arse s-au topit între ele. După încheierea procesului, stratul de minereu s-a transformat într-o masă poroasă cristalizată - sinterizată. Bucățile de turtă zdrobită, care au fost numite „aglomerat”, s-au dovedit a fi destul de potrivite pentru topirea minelor în ceea ce privește proprietățile lor fizice și chimice [7] .

Simplitatea comparativă a tehnologiei și eficiența termică ridicată a prăjirii oxidative stratificate a minereurilor sulfurate au atras atenția specialiștilor în metalurgia feroasă . A existat ideea de a dezvolta o metodă termică de aglomerare a materialelor de minereu de fier bazată pe o tehnologie similară. Absența sulfului ca sursă de căldură în minereurile de fier trebuia să fie compensată prin adăugarea de particule mici de combustibil carbonos la minereu: cărbune sau cocs. Aglomeratul de minereu de fier folosind această tehnologie în laborator a fost obținut pentru prima dată în Germania în 1902-1905. [opt]

Prima instalație industrială pentru producția de sinter a fost cazanul Geberlein - un vas conic din oțel, la o anumită distanță de fundul căruia era fixat un grătar, iar în partea de jos era o țeavă de ramură pentru alimentarea suflatorului de la suflantă. Procesul s-a remarcat prin faptul că sursa de căldură pentru înmuierea și topirea parțială a boabelor de minereu era arderea particulelor de cărbune sau cocs . Un strat subțire de încărcătură de aglomerare, un amestec de minereu umed fin cu particule de cocs, a fost acoperit cu un strat subțire de bucăți de combustibil solid încins pe grătar. După aceea, explozia a fost pornită, iar gazul încălzit în stratul de combustibil care ardea pe grătar s-a ridicat, aprinzând și arzând combustibilul conținut în încărcătura din stratul inferior al materialului sinterizat. Când zona de ardere a ajuns la suprafață, următorul strat al încărcăturii de sinterizare a fost încărcat. Astfel, procesul a continuat până când întregul vas a fost umplut cu aglomerat finit (un cazan cu o capacitate de 15 tone a fost umplut în 12 ore). După aceea, ventilatorul a fost oprit, cazanul a fost răsturnat, iar blocul de aglomerat rezultat a fost spart manual în bucăți mai mici [9] .

În Rusia, primele 6 cazane Geberlein au fost puse în funcțiune în 1906 la uzina Taganrog , iar în 1914 alte 5 boluri la Uzina metalurgică Nipru . Totodată, în aceiași ani, s-a lucrat la crearea unor instalații alternative de sinterizare, lipsite de dezavantajele cazanelor Geberlein: productivitate scăzută, muncă fizică grea a muncitorilor. Au fost dezvoltate modele de boluri de sinterizare cu caracteristici tehnologice semnificativ mai bune. În 1914-1918. la uzina Dneprovsky a fost construită o fabrică de sinterizare cu boluri dreptunghiulare (staționare) ale sistemului Grinewalt, iar în 1925 la mina Goroblagodatsky  - o fabrică cu 28 de boluri rotunde (diametrul 2,3 m) ale companiei suedeze AIB. În principiu, procesul de aglomerare în vase a decurs la fel ca în cazanele Geberlein. Diferența a fost că grosimea stratului sinterizat a fost redusă la 250-300 mm, iar modul de suflare a fost înlocuit cu un mod de vid - aerul a fost aspirat în strat de sus din cauza rarefării create de ventilatoarele de sub grătar. Prin urmare, aprinderea (aprinderea particulelor de combustibil solid ale încărcăturii) a fost efectuată și de sus. În vasele dreptunghiulare, aprinderea s-a realizat folosind cuptoare incendiare mobile cu arzătoare pe gaz [10] .

Deoarece fiecare dintre instalațiile de sinterizare menționate avea unul sau altul dezavantaj semnificativ (unul dintre cele mai grave este productivitatea scăzută), nici bolurile, nici cuptoarele cu tuburi nu au fost utilizate pe scară largă în metalurgie. O descoperire în domeniul aglomerării minereurilor a fost făcută de doi ingineri americani A. Dwight și R. Lloyd, care în 1906 au dezvoltat un proiect, iar în 1911 au pus în funcțiune prima mașină de sinterizare cu transportor continuu . Procesul de sinterizare a minereurilor a decurs conform aceluiași principiu ca în cazanele Geberlein sau în vase - căldura necesară pentru topirea boabelor de minereu a fost eliberată în timpul arderii stratificate a particulelor de combustibil solid ca urmare a aspirației aerului prin încărcătura așezată pe grătar. . Succesul în distribuția rapidă și largă a sinterizării ca metodă principală de aglomerare a materialelor de minereu de fier a fost predeterminat de proiectarea de mare succes a mașinii de sinterizare. Zona de sinterizare a primei mașini de sinterizare Dwight-Lloyd a fost de 8,1 m 2 (cu o lățime a benzii de 1,05 și o lungime de 7,7 m); productivitate zilnică - 140 de tone de aglomerat în timpul sinterizării prafului de ardere [11] .

În anii 1990, dimensiunea mașinilor de sinterizare a crescut nemăsurat - suprafața de sinterizare a crescut la 600 m 2 sau mai mult: producția zilnică a ajuns la 15.000-18.000 de tone de sinterizare. Calitățile oțelurilor din care sunt realizate diverse piese de mașini s-au schimbat, dar aranjarea fundamentală a mașinilor a rămas neschimbată [11] .

Rolul în procesele metalurgiei feroase

Aglomerarea concentratului de minereu de fier (uneori amestecat cu minereu, deșeuri din producția metalurgică) este operațiunea finală în complexul de măsuri de pregătire a minereurilor de fier pentru topirea furnalelor. Scopul principal al acestei operațiuni este transformarea concentratului de minereu fin în bucăți mai mari - aglomerat, a cărui utilizare în topirea furnalului asigură formarea unui strat de încărcare de bună permeabilitate la gaz, care este o condiție indispensabilă pentru funcționarea de înaltă performanță a un furnal.

Topirea de înaltă intensitate în furnal este posibilă cu arderea unei cantități mari de cocs în vatra unui furnal, ceea ce, pe de o parte, duce la eliberarea unei cantități mari de căldură și, pe de altă parte, la formarea de spațiu liber în partea inferioară a cuptorului (datorită gazificării cocsului solid), unde coloana este coborâtă sarcina furnalului. Este necesară o bună permeabilitate la gaz a încărcăturii, astfel încât un volum mare de gaze format în timpul arderii cocsului să aibă timp să treacă prin canalele intercalate ale stratului, cu scăderi relativ mici de presiune a gazului între vatră și vârf (150–200 kPa la o înălțime a stratului de sarcină de 20–25 m) [8] .

Tehnologie

Compoziția taxei

Schema generală a procesului de sinterizare prin aspirație include următorii pași.

O taxă tipică pentru producția de sinterizare a minereului de fier constă din următoarele componente:

  1. material fin de minereu de fier, de obicei un concentrat;
  2. combustibil zdrobit - cocs ( fracțiune 0-3 mm), conținut în încărcătură 4-6%;
  3. calcar zdrobit (fracție 0-3 mm), conținut de până la 8-10%;
  4. retur - aglomerat substandard din sinterizarea anterioară (fracție 0-8 mm), conținut 25-30%;
  5. aditivi care conțin fier - praf de ardere de la furnalele înalte, scara magazinelor de laminare, cenușă de pirit de producție de acid sulfuric etc. (fracție 0-3 mm), conținut de până la 5%.

Componentele dozate într-un raport dat sunt amestecate, umezite (pentru a îmbunătăți peletizarea ), iar după peletizare fără compactare, sunt încărcate pe un grătar cu un strat de 300-400 mm. Apoi porniți compresorul - un ventilator care funcționează pentru aspirație. Se creează o rarefacție sub grătar, datorită căreia un flux de gaze fierbinți ale cuptorului este mai întâi aspirat în strat, asigurând „aprinderea” încărcăturii, adică stratul de suprafață este încălzit la aproximativ 1200 ° C (în interval de 1,5– 2,0 min). Aerul atmosferic care intră apoi în pat în timpul restului procesului asigură arderea intensivă a particulelor de cocs de sarcină. În zona de temperaturi maxime (1400–1450°C), boabele de minereu se topesc parțial, se lipesc împreună și apoi, în timpul cristalizării ulterioare, se formează o structură poroasă - sinterizarea de aglomerare.

Mod zonă

În fiecare moment de timp, aprinderea particulelor de combustibil încălzite la 700–800 °C are loc în stratul de încărcare adiacent limitei inferioare a zonei de ardere. În același timp, arderea particulelor de combustibil se termină la limita superioară a zonei de ardere. Ca urmare, zona de ardere, combinată cu zona de topire, se deplasează continuu în jos, în direcția fluxului de gaz, ca și cum ar „pătrunde” în stratul de încărcare inițială și lăsând în urmă o zonă de sinter de răcire.

Zona determinantă a procesului este orizontul cu temperatura maximă - zona de topire - zona de formare a sinterului. Deasupra acestei zone există un strat de turtă poroasă de aglomerare. În zona de încălzire intensă situată dedesubt, materialul sinterizat este încălzit rapid cu o viteză de până la 800 de grade/min și are loc aceeași răcire rapidă a produselor de ardere. Ieșind din această zonă, gazul cu o temperatură de 300-400 °C intră în sarcina umedă și se formează o zonă de uscare. În această zonă, gazul este răcit la 50–60 °C și îl lasă saturat cu vapori de apă. În sarcina rece situată mai jos (15–20 °C), gazul se răcește, devine suprasaturat, iar o parte din vaporii de apă din această zonă de condensare se depune sub formă de picături pe bulgări de încărcătură, crescându-le conținutul de umiditate. Deoarece viteza de mișcare a zonei de condensare este de câteva ori mai mare decât viteza de mișcare de-a lungul stratului zonei de uscare, între aceste zone se formează în timp un strat de sarcină plină de apă. În acest caz, grosimea stratului de încărcare inițială scade rapid.

Timpul total de aglomerare poate fi împărțit în trei perioade:

Procesul este considerat finalizat atunci când zona de formare a sinterizării ajunge la grătarul cărucioarelor de sinterizare . La o viteză verticală de sinterizare de 20 mm/min, un strat de încărcătură de 300 mm grosime se transformă într-un aglomerat în 15 minute.

Caracteristicile procesului

Procesul modern de sinterizare aparține tipului stratificat, când aerul care trece prin materialul sinterizat asigură apariția a două procese principale:

  1. arderea încărcăturii de combustibil solid şi
  2. transferă căldura de la un strat elementar la altul.

În acest sens, indicatori tehnici și economici înalți ai procesului de sinterizare pot fi atinși numai cu o alimentare intensivă cu aer a stratului sinterizat. Între timp, amestecurile de sinterizare care conțin concentrate de minereu de fier pulverizat (cu o dimensiune a particulelor mai mică de 0,1 mm) au o rezistență gaz-dinamică foarte mare. Prin urmare, o operație pregătitoare obligatorie este peletizarea încărcăturilor - procesul de formare a granulelor cu dimensiunea de 2-8 mm. Un strat dintr-un astfel de amestec peletizat, bine permeabil la gaz face posibilă atingerea unor viteze mari de curgere a gazului (până la 0,5–0,6 m/s) cu scăderi de presiune relativ mici deasupra și dedesubtul stratului (10–15 kPa).

Una dintre trăsăturile caracteristice ale aglomerării materialelor de minereu de fier este transferul intens de căldură și masă în stratul de sarcină datorită suprafeței sale specifice mari (30–50 cm 2 /cm 3 ). Aceasta explică înălțimea relativ mică (15-40 mm fiecare) a zonelor de topire, încălzire intensă, uscare și condensare. Consecința acestei caracteristici a procesului este un timp scurt de rezidență al fiecărui volum elementar al materialului sinterizat la temperaturi ridicate - 1,5-2,0 min. Prin urmare, tehnologii trebuie să asigure astfel de condiții (dimensiunea particulelor componentelor de sarcină, viteza gazului în strat etc.), astfel încât în ​​acest scurt timp să poată fi finalizate principalele procese chimice, mineralogice și fizice pentru a asigura producerea unui aglomerat de calitatea cerută: arderea carbonului și a sulfului, disocierea carbonatului, încălzirea particulelor de minereu la temperaturi de topire, lipirea acestora etc.

A doua caracteristică a procesului de aglomerare este apariția unui câmp de temperatură neuniform în volumul materialului sinterizat. Datorită distribuției punctuale a particulelor de combustibil în încărcătură, centrele de ardere-topire alternează cu zone ale materialului (încărcare sau sinterizare) care sunt în stare solidă. Ca urmare a contracției locale a materialului topit, în camera de ardere se formează pori cu dimensiunea de 3-10 mm. Datorită acestei caracteristici, în zona de existență a topiturii se păstrează o structură de strat poroasă suficient de permeabilă la gaz. Pori suplimentari apar în timpul eliberării gazelor din arderea carbonului, a sulfului, a disociației carbonaților, a reducerii oxizilor de fier etc.

A treia caracteristică a aglomerării este că arderea particulelor de combustibil din strat are loc în condiții de regenerare dublă a căldurii: aerul care intră în zona de ardere este preîncălzit la 1000-1100 °C în stratul de sinter de răcire, iar combustibilul (și restul încărcăturii) înainte de aprindere încălzit până la 700-800 °C prin fluxul de gaze fierbinți care părăsesc zona de ardere. În aproximativ 80% din timpul de sinterizare, gazul care părăsește stratul are o temperatură de 50–60°C. Aceasta înseamnă că cantitatea principală de căldură de la aprinderea și arderea carbonului combustibilului solid al încărcăturii rămâne în interiorul stratului și participă la procesele de schimb de căldură.

O altă caracteristică pozitivă a aglomerării materialelor de minereu de fier este că, ca urmare a reducerii parțiale a oxizilor de fier în zona de temperaturi moderate, punctele de topire ale unor astfel de materiale reduse sunt reduse semnificativ cu 150–200 °C, ceea ce reduce semnificativ. nevoia de căldură în proces, ceea ce face posibilă reducerea conținutului de combustibil din încărcătură, menținând în același timp o rezistență suficient de mare a sinterului. Cele de mai sus fac din aglomerarea prin aspirație un proces extrem de eficient din punct de vedere al performanței termice: cu un conținut de carbon în încărcătură de doar 3–5%, este posibilă încălzirea materialului sinterizat la 1400–1450 °C [13] .

Comparație cu alte metode de aglomerare

Din 1955, în metalurgia mondială la scară industrială, au început să folosească o nouă metodă de aglomerare a concentratelor fine de minereu de fier - producția de pelete . În timpul topirii peleților în furnalele din SUA , consumul specific de cocs a scăzut, iar productivitatea furnalelor aproape sa dublat. Datorită unei campanii de publicitate active lansată de dezvoltatorii de tehnologie și producătorii de echipamente ai morilor de peleți, mulți metalurgiști au impresia că peleții au avantaje incontestabile față de sinterizare. MCM al URSS a decis că direcția strategică pentru dezvoltarea sub-sectorului de preparare a minereului de fier pentru topirea furnalelor este construirea intensivă a fabricilor de producție de peleți cu o reducere treptată și, în cele din urmă, cu eliminarea completă a producția de sinter. Orice încercare a oamenilor de știință și a lucrătorilor din producție în anii 60. XX secolul pentru a oferi o evaluare obiectivă a noii metode de aglomerare a fost suprimată decisiv. Rezultatele funcționării unui număr de furnale din Japonia pe sinterizare fluxată bine pregătită în comparație cu topirea peleților (nefluxați) au fost tăcute. Rezultatele unei politici tehnice atât de tendențioase nu au întârziat să apară. La scurt timp după începerea utilizării peleților SSGOK în topirea furnalului de la MMK , furnalele au trebuit să fie oprite în caz de urgență din cauza uzurii intense a dispozitivelor de încărcare și a căptușelii refractare , din cauza creșterii semnificative a conținutului de praf din gazul de furnal. datorită distrugerii puternice a peletelor în timpul topirii în furnal.

Analiza obiectivă care a urmat acestor evenimente a arătat că peleții nu sunt „absolut” cel mai bun tip de minereu aglomerat. Au o serie de dezavantaje serioase în comparație cu aglomeratul:

Principalul avantaj al aglomerării este versatilitatea sa - procesul de sinterizare este destul de reușit folosind materiale minerale într-o gamă largă de dimensiuni (de la 0 la 10 mm); unele abateri de la parametrii optimi sunt permise în ceea ce privește conținutul de umiditate al încărcăturii, conținutul de combustibil solid din acesta etc.

Avantajul incontestabil al peleților față de sinter este transportabilitatea lor bună: sunt puțin distruși în timpul transportului feroviar sau maritim. Astfel, se recomanda aglomerarea concentratului de minereu fin prin producerea de peleti in cazul in care unitatea miniera (cu instalatie de procesare) se afla la o distanta considerabila de combinatul metalurgic.

Printre metalurgiști , există o opinie că aglomerarea și producția de peleți nu sunt metode concurente, ci complementare de aglomerare [14] .

Vezi și

Note

  1. ↑ Korotich, 2009 , p. paisprezece.
  2. ↑ Kozlovsky, 1984 , p. 43.
  3. ↑ Korotich, 2000 , p. 345-354.
  4. ↑ Korotich, 2000 , p. 74.
  5. ↑ Korotich, 2000 , p. 186.
  6. ↑ Kozlovsky, 1984 , p. 44.
  7. ↑ 1 2 Korotich, 2009 , p. 16.
  8. ↑ 1 2 Korotich V. I. , Frolov Yu. A., Bezdezhsky G. N. Aglomerarea de materiale minereu. - Ekaterinburg: GOU VPO "UGTU-UPI", 2003. - S. 16-17. — 400 s. — ISBN 5-321-00336-X .
  9. ↑ Korotich, 2009 , p. 16-17.
  10. ↑ Korotich, 2009 , p. 17.
  11. ↑ 1 2 Korotich, 2009 , p. optsprezece.
  12. ↑ Korotich, 2009 , p. 285.
  13. ↑ Korotich, 2009 , p. 27-31.
  14. ↑ Korotich, 2009 , p. 26-27.

Literatură

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
  • Tehnic (1 ed.)