Производство железорудных окатышей
При агломерации тонкоизмельченных железорудных концентратов заметно уменьшается скорость процесса (из-за резкого снижения газопроницаемости шихты). Между тем в связи с постоянным увеличением доли руды, подвергаемой обогащению, в металлургический передел вовлекается все больше железорудного сырья, содержащего 80—90 % и более фракции <0,07, а в ряде случаев и <0,05 мм. Как правило, горно-обогатительные предприятия находятся на значительном расстоянии от металлургических центров. Возить влажный концентрат на металлургические заводы для последующей его агломерации невыгодно из-за издержек, связанных с перевозкой воды, и затруднительно из-за смерзания концентрата в зимнее время. Изготовление агломерата непосредственно на горно-обогатительных комбинатах нецелесообразно из-за его недостаточной механической прочности.
Удачным решением проблемы окускования тонких железорудных концентратов явилось производство железорудных окатышей, впервые предложенное в 1912 г. Андерсоном (Швеция) и в 1913 г. Браккелъсбергом (Германия). Производство железорудных окатышей в последнее время развивалось во многих странах мира высокими темпами и в настоящее время превысило 200 млн. т/год.
Схемы получения окатышей представляют собой комбинацию двух этапов: формирования окатышей путем окомкования влажной шихты в специальных аппаратах — окомкователях (производство сырых окатышей) и упрочнения гранул (обжиговым или безобжиговым способами) для придания окатышам прочности, необходимой для хранения, транспортировки к доменным цехам и проплавки их в печах.
Сырые окатыши формируются при окатывании тонкодисперсного железорудного материала, увлажненного до определенной степени. Тонкоизмельченный железорудный порошок относится к гидрофильным дисперсным системам, характеризующимся интенсивным взаимодействием с водой. В такой системе стремление к уменьшению энергии реализуется путем снижения величины поверхностного натяжения на границе раздела фаз (при взаимодействии с водой) и укрупнения частиц (в результате их сцепления). Можно считать, что в целом дисперсная система железорудный материал —вода обладает определенным термодинамическим стремлением к окомкованию.
Другим важным фактором, влияющим на окомкование, является содержание влаги в шихте, которое определяют экспериментально.
Сырые окатыши должны обладать достаточной прочностью во избежание деформации и разрушения при их доставке к обжиговому агрегату, а также хорошей термостойкостью, т. е. способностью не разрушаться при обжиге. Для усиления этих свойств в шихту окатышей вводят связующие добавки (главным образом, бентонит, а также его смесь с водой, известь, хлористый кальций, железный купорос, гуминовые вещества).
Наибольшее распространение в производстве нашел бентонит, который в количестве 0,5—1,5 % вводят в шихту перед окомкованием. Бентонит — это глины, отличающиеся тонкой дисперсностью, ионообменной способностью, высокой степенью набухаемости при увлажнении, связностью, способностью постепенно выделять воду при нагреве. Бентонит в основном состоит из монтмориллонита (Al, Mg)2_3(OH)2-(Si4O10)-/iH2O и близких к нему по составу минералов. Часть катионов кристаллической решетки способна замещаться ионами Са2+ и Na1+. При увлажнении бентонит интенсивно поглощает воду, увеличиваясь в объеме в 15— 20 раз. Выбор бентонита обусловлен его способностью при увлажнении образовывать гели с чрезвычайно развитой удельной поверхностью (600—900 м2/г), которая примерно в 7 раз больше поверхности частиц других сортов глины. Бентонит увеличивает пористость сырых окатышей, что благоприятно сказывается на скорости удаления влаги во время сушки окатышей без снижения их прочности.
На современных фабриках окомкования сырые окатыши получают в окомкователях барабанных и тарельчатых (или чашевых) типов. Барабанный окомкователь (рис. 72) представляет собой цилиндрический барабан с гладкой внутренней поверхностью, который устанавливают под углом к горизонту (до 8—9°), и вращающийся на катках (частота вращения 7—11 мин"1). Зародыши окатышей при движении в барабане под действием силы тяжести и центробежной силы прижимаются к поверхности барабана. При этом на них накатывается слой концентрата мелкой фракции. Размеры промышленных барабанов достаточно велики: диаметр 3 м и более, длина до 14 м. Производительность таких агрегатов по сырым окатышам составляет более 90—100 т/ч. Барабанный окомкователь не позволяет получать окатыши мелкого класса, поэтому за барабаном устанавливают механический грохот, отсеивающий окатыши мелкой фракции (как правило, <6—8 мм). Иногда грохот совмещают с барабаном в его разгрузочной части. Мелкая фракция, или циркуляционная нагрузка, составляющая 150—400 % (по отношению к кондиционной фракции окатышей), специальным транспортером возвращается в загрузочное отверстие барабана. Использование циркуляционной нагрузки имеет большое значение для окомкования, так как в барабан подается большое количество зародышей (мелких окатышей), служащих центрами окомкования. Этим обеспечивается высокая стабильность работы барабанных окомкователей, что является их несомненным преимуществом.
Чашевые, или тарельчатые, окомкователи (рис. 73) представляют собой наклонно установленный (под углом 45—60е) диск с бортом. Исходная шихта, загружаемая во вращающуюся чашу заклинивается между бортом и днищем и поднимается на некоторую высоту. Скатываясь по наклонному днищу, зародыши накатывают на себя слой тонкого концентрата, превращаясь в частицы шарообразной формы. Учитывая, что частицы больших размера и массы при вращении тарели могут подниматься на большую высоту по борту, высота борта регулирует конечный размер сырых окатышей.
Диаметр тарели современных промышленных грануляторов составляет 5—7 м. Их удельная производительность зависит от свойств шихты и достигает 90 т/ч. Тарельчатые грануляторы, уступая барабанным в производительности и стабильности, обеспечивают получение более равномерных по крупности окатышей, допускают возможность регулирования и оперативной перестройки режима работ. Для тарельчатых окомкователей, как и для барабанных, важное значение имеют сохранение качественного слоя гарнисажа, правильный выбор угла наклона и скорости вращения чаши, влажности материала.
Механическая прочность сырых окатышей должна быть достаточной, чтобы не произошло их разрушение при транспортировке к обжиговым агрегатам. До настоящего времени нет обоснованной методики определения величины сил сцепления в сыром окатыше. Обычно статические и динамические нагрузки моделируют испытаниями соответственно на раздавливание и сбрасывание.
Испытание на раздавливание проводят путем сжатия окатыша с целью определения усилия, при котором окатыши деформируются или разрушаются. Минимальное сопротивление раздавливанию одного окатыша должно составлять 45—55 Н для окатышей диаметром 25 мм и 9 Н для окатышей диаметром 9,5 мм.
При испытании на сбрасывание важно правильно выбрать высоту. В соответствии с реальными уровнями высот транспортеров при перегрузке высота сбрасывания должна быть не менее 300 мм. В России сырые окатыши должны выдерживать без разрушения не менее 15 сбрасываний с высоты 300 мм. В США стандартная высота для испытаний на сбрасывание (5 раз) составляет 457 мм.