Особенности развития техники и технологии окомкования железорудной шихты в производстве окатышей

Введение

Окомкование железорудной шихты в производстве окатышей является начальной стадией окускования железорудного сырья, которое позволяет осуществить формообразование влажной сыпучей массы, ее первичное структурообразование и упрочнение [1; 2]. Задачей окомкования является получение округлой формы у окатышей и формирование максимально возможной прочности, позволяющей выполнять последующие транспортные и термические операции с окатышами без разупрочнения. Процесс формообразования влажной шихты в производстве окатышей начинается с зародышеобразования и заканчивается доокомкованием зародышей. В традиционной технологии производства окатышей воздействовать на процесс зародышеобразования существующими техническими средствами без привлечения вспомогательных физических полей достаточно трудно [3]. В последнее время предлагается расширить функциональные возможности участка окомкования с помощью теплосилового напыления влажной шихты на гарнисаж окомкователя, придав ему дополнительные формо- и структурообразующие функции в производстве окатышей [4; 5]. Данная технология принудительного зародышеобразования напылением и доокомкованием (ЗНД) зародышей позволяет существенно изменить процессы зародышеобразования и окомкования железорудной шихты. Она обладает широким набором инструментария для воздействия на структурные свойства окатышей и производственные параметры окомкователя [4 – 6]. Согласно этой технологии, на первом этапе получения сырых окатышей в холостой зоне вращающегося тарельчатого окомкователя проводят формирование плотного напыленного слоя (НС) шихты воздушношихтовой струей (ВШС). Для получения зародышевой массы в этой же зоне окомкователя НС механически делят на прочные зародыши, имеющие форму, близкую к сферокубу или сферопараллелепипеду. На последующем этапе формообразования в рабочей зоне окомкователя, занятой комкуемыми материалами, у зародышей сминаются углы, грани и формируется округлая форма. Одновременно с этим происходит доокомкование зародышей в смеси с увлажненной шихтой в режиме переката и формируется оболочка окатышей [6 – 8]. Центральная часть двухслойных окатышей имеет пониженную влажность и в ней формируется более высокая пористость с повышенной долей открытых пор. Низкая влажность сырых окатышей с подобным характером пористости исключает трещинообразование и резко снижает температуру шокового разрушения при сушке [4; 5], что у обожженных окатышей уменьшает вероятность снижения прочности при последующем металлургическом переделе. Структура окатышей после высокотемпературного обжига также сохраняет повышенное количество проницаемых пор, открытых для восстановительных газов [5]. Такое структурное построение окатышей позволяет снизить диффузионные ограничения при последующем восстановлении и повысить реакционную способность окускованного сырья. Подобное формирование структурных свойств окатышей можно получить с помощью порообразующей биомассы [7; 8] или вспомогательных технологий [9 – 11]. Схематичное представление технологии ЗНД и макроструктуры материалов, участвующих в формообразовании влажной шихты, показаны на рис. 1, 2. Технологическая схема производства достаточно легко может быть реализована на действующем производстве, для чего существуют свободные производственные площади и технические возможности. На основе технологии ЗНД разработаны многочисленные технические решения [4; 5], позволяющие управлять процессами формирования зародышей и окатышей и их физическими свойствами, анализ технологической работы которых дает возможность сформулировать общие принципы зародышеобразования и структурообразования комкуемой массы для этой технологии.
Целью работы является анализ технических решений, направленных на развитие техники и технологии окомкования железорудной шихты в производстве окатышей, основанном на принудительном зародышеобразовании.

Методы исследования и материалы

Технические схемы устройств для получения окатышей, включающих различные способы формирования НС методом напыления влажной шихты на гарнисаж, показаны на рис. 3. Перспективные схемы деления НС на зародыши в этих устройствах представлены на рис. 4. На указанные технические схемы (рис. 3, 4) автором получены патенты РФ. В качестве базового устройства, на котором реализованы технические схемы для получения окатышей, использовали лабораторный полупромышленный тарельчатый окомкователь (диаметр 0,62 м, угол наклона тарели γ = 45°, число оборотов n = 12 об/мин), снабженный струйным аппаратом (СА) (диаметр d_СА = 0,02 м, расход шихты G_ш = 0,03 – 0,04 кг/с, давление Р_в = 0,2 МПа, расход сжатого воздуха V_в = 0,6 м³/мин) и устройствами различной конструкции для деления НС на зародыши. Для реализации многоструйных технических схем использовали три СА диаметром 0,02 м при том же расходе шихты и первоначальных условиях. Окомкователь работал на влажной шихте, состоящей из железорудного концентрата Тейского месторождения (d_ч = 0,068 мм) и 1 % бентонита. Шихта массой 5 кг напылялась в течение 60 с на шихтовый гарнисаж (ШГ) толщиной 30 мм (ρ_шг = 2230 кг/м³, W_шг = 8,14 %) в холостой зоне тарели при Θ_L = 25 (Θ_L = L/d_СА – безразмерное расстояние, L = 0,5 м). Для доокомкования зародышей и формирования кондиционных окатышей в рабочую зону окомкователя дополнительно подавали 5 кг влажной шихты. Для всех сформованных материалов определяли среднюю прочность и влажность. У НС измеряли его размеры (диаметр d_НС, м и высоту НС на его оси h_о, м). Зародышевую массу и массив окатышей рассевали на ситах. Методика отбора проб подробно изложена в работах [4; 5].

Для технических схем, реализующих различные способы формирования НС (рис. 3), определяли коэффициент напыления KНС , %:

\[{K_{{\rm{НС}}}} = \frac{{{M_{\rm{ш}}} - {M_{\rm{м}}}}}{{{M_{\rm{ш}}}}},\]

где М_ш – масса напыляемой шихты, кг; М_м – масса шихты, оставшейся после формирования НС, кг.

Для технических схем, реализующих различные способы деления НС на зародыши (рис. 4), определяли фракционный состав зародышевой массы и коэффициент зародышеобразования K_зр, %:

\[{K_{{\rm{зр}}}} = \frac{{{M_{{\rm{зр}}}}}}{{{M_{\rm{ш}}}}} = \frac{{{M_{\rm{ш}}} - {M_{\rm{м}}} - {M_{\rm{н}}}}}{{{M_{\rm{ш}}}}},\]

где М_зр – масса зародышей размером 2 – 10 мм, кг; М_н – масса зародышевой мелочи размером менее 2 мм, кг.

Для каждой технической схемы выполнено несколько экспериментов, что позволило получить среднее значение анализируемых величин. Для расширения объема информации при оценке эффективности технологии ЗНД и свойств НС, зародышей и окатышей часть результатов опытов была представлена в безразмерном виде [4; 5]. Относительную прочность сформованных материалов Θ_П определяли по выражению

\[{\Theta _{\rm{П}}} = \frac{{{\Pi _{{\rm{ср}}}}}}{{{\Pi _{{\rm{ок}}}}}},\]

где П_ср – средняя прочность образцов НС, зародышей и окатышей, кПа; П_ок – средняя прочность окатышей размером 12 – 16 мм, кПа; П_ок = 280 кПа.

Относительную массу сформованных материалов (НС, зародышей и окатышей) Θ_М вычисляли по формуле

\[{\Theta _M} = \frac{{{M_{\rm{м}}}}}{{{M_{\rm{о}}}}},\]

где М_м – средняя масса сформованных материалов (НС, зародышей и окатышей), кг; М_о – общая массы шихты, используемой для получения окатышей, включая подачу шихты на доокомкование зародышей в рабочую зону окомкователя, кг, М_о = 10 кг.

Относительную влажность сформованных материалов Θ_W определяли по выражению

\[{\Theta _W} = \frac{{{W_{{\rm{ср}}}}}}{{{W_{\rm{ш}}}}},\]

где W_ср – средняя влажность образцов НС, зародышей и окатышей, %; W_ш – влажность напыляемой шихты, %; W_ш = 8,2 %.

Относительную длительность процессов загрузки, напыления шихты, деления НС и доокомкования зародышей Θ_τ определяли по выражению

\[{\Theta _\tau } = \frac{{{\tau _i}}}{{{\tau _{{\rm{ок}}}}}},\]

где τ_i – длительность процессов загрузки, напыления шихты, деления НС и доокомкования зародышей, с, длительности напыления, деления и доокомкования составляли 15, 5 и 300 с соответственно; τ_ок – общая длительность процесса формирования окатышей, с, τ_ок = 380 с.

Для определения характеристик НС (K_НС, Θ_М, Θ_П, Θ_W), полученного в различных способах его формирования (рис. 3), окомкователь работал без делителей в течение всего времени напыления. Для сравнительного анализа показателей этих технических схем использовали базовую схему для сравнения (рис. 3, а), которая опиралась на работу одиночного СА, напыляющего влажную шихту на неподготовленный ШГ. Следует добавить, что в большинстве промышленных технологий на основе напыления к устройствам и технологиям напыления предъявляются многочисленные требования по эффективности их работы [12 – 15].

Для расчета параметров зародышевой массы (фракционный состав, K_зр, Θ_М, Θ_П, Θ_W), полученной в устройстве, реализующем различные способы деления НС на зародыши (рис. 4), после формирования НС на окомкователе работал делитель НС. Для сравнительного анализа показателей этих технических схем использовали базовую схему (рис. 1 и 3, а), которая дополнительно была снабжена делителем, состоящим из продольного (система пластинчатых ножей) и поперечного (вращающийся барабан с ребрами) делителей, покрытых бакелитовым лаком в качестве покрытия, препятствующего налипанию шихты (рис. 4, а).

Результаты работы и их обсуждение

Типичное изменение параметров Θ_М, Θ_П, Θ_W в процессе формообразования шихты (напыление шихты с образованием НС и его деления на зародыши) и формирования окатышей для базовой схемы напыления (рис. 3, а и 4, а) приведено на рис. 5. Результаты экспериментов представлены в табл. 1, 2. Полученные зависимости (рис. 5) позволяют обобщить результаты исследований и выявить узкие места в технологии ЗНД. Общим для всех технических схем (табл. 1, 2) является быстрое формообразование влажной шихты со средней скоростью роста массы зародышей более 3,0 г/с, сопровождаемое ростом прочности (Θ_П > 0,39) и незначительной потерей массы сформованных материалов в процессе напыления шихты (до Θ_М = 0,44) и деления НС (до Θ_М = 0,29) на зародыши (рис. 5). Напылением шихты можно сформировать прочность НС, близкую к прочности всего окатыша (Θ_П > 0,8 – 0,9) [4; 5], но в таком режиме снижается пористость и доля открытых пор в зародышевой части окатыша, что противоречит принципам структурообразования технологии ЗНД. Незначительный рост прочности зародышей при делении НС объясняется механическим уплотнением влажной массы делителями или вспомогательными устройствами. В процессе доокомкования зародышей происходит рост массы и прочности окатышей за счет формирования оболочки в режиме переката. Процесс обезвоживания НС связан с бародиффузионным переносом влаги ВШС, в которую при напылении попадает НС и зародышевая масса. Процесс доокомкования зародышей сопровождается ростом параметров Θ_М, Θ_П, Θ_W, имеет несколько стадий и протекает в течение значительно большего времени (300 с), что существенно снижает скорость роста массы (до 0,11 г/с) и прочности [4; 5]. Рост влажности формуемых окатышей при доокомковании зародышей происходит за счет переувлажнения оболочки окатышей. На заключительном этапе производства окатышей для большинства технических схем, реализующих технологию ЗНД, формируется максимальное количество окатышей размером 12 – 16 мм (Θ_М > 0,7) со средней скоростью роста массы (более 0,3 г/с), необходимой прочности (Θ_П = 1,0) с пониженным количеством влаги в их структуре (Θ_W < 1). В центральной зародышевой части окатышей это снижение еще больше (Θ_W < 0,95).

Целесообразно представить краткий анализ работоспособности рассмотренных технических схем. Схема, представленная на рис. 3, б, отличается от базовой интенсивным увлажнением зоны напыления и поверхности НС, что позволяет повысить K_НС до 0,95, увеличить геометрические размеры НС и параметры Θ_М, Θ_П, Θ_W (табл. 1). Однако переувлажнение НС до W_НС = 0,99W_ш и, соответственно, зародышей и годных окатышей, увеличивает продолжительность последующей сушки окатышей на стадии термообработки. Близкие характеристики НС формирует схема, показанная на рис. 3, в, которая отличается от базового решения предварительным увлажнением ШГ перед напылением. Схема, показанная на рис. 3, г, позволяет увеличить поперечные размеры и сформировать постоянную толщину НС за счет наложения друг на друга граничных (δ = 1,0 – 0,8, где δ – безразмерный радиус НС) зон НС, обладающих высокой пористостью и низкой прочностью. Подобное воздействие на процесс напыления представлено в источниках [16 – 20], где регулирование расхода дисперсной фазы в СА увязано с изменением скорости вращения напыляемой основы. Схема, показанная на рис. 3, д, более сложная по конструкции и отличается от базовой последовательным напылением шихты тремя СА, что увеличивает продольную площадь напыления и ориентировочно в три раза длительность силового воздействия ВШС на НС. Это повышает прочность НС примерно на 10 – 15 %, интенсифицирует влагоудаление из НС, оставляя уровень показателей Θ_М, Θ_W близким к базовой схеме. Схема, приведенная на рис. 3, е, направлена на повышение равномерности толщины НС одним СА, работающим на вспомогательном вентиляторном воздухе, подаваемом по оси СА. К достоинствам этой схемы относится увеличение геометрических размеров НС из-за возрастания угла раскрытия струи до 30°, а к недостаткам – более низкие прочностные свойства НС вследствие снижения давления ВШС. Схема, приведенная на рис. 3, ж, снабжена отклоняющими механическими устройствами, расположенными на пути ВШС. Она имеет аналогичные недостатки и позволяет получить НС с характеристиками, близкими предыдущей схеме. Показанная на рис. 3, з схема отличается от базовой возможностью подачи в ВШС вспомогательных материалов (упрочняющих, вяжущих, труднокомкуемых и структурообразующих добавок). При введении в напыляемую шихту сравнительно небольшого (до 1 – 2 %) количества добавок (например, водного раствора жидкого стекла) прочность НС можно повысить на 10 – 15 % [4; 5]. Схема, показанная на рис. 3, и, кроме давления ВШС использует дополнительную упрочняющую и профилирующую (выравнивающую по высоте) нагрузку, формируемую вращающимися барабанами, установленными на поверхности НС перед его делением. Она позволяет повысить прочность НС и равномерность его геометрических размеров, но технически более сложная и отличается повышенной налипаемостью шихты на металлические барабаны.

Схема деления НС на зародыши, приведенная на рис. 4, б, отличается от базовой наличием составных барабанов, позволяющих учесть различие в окружных скоростях НС, что облегчает деление НС большого диаметра и приводит к повышению прочности зародышей на 5 % и снижению содержания мелочи до 33,2 % (табл. 2). Схема, показанная на рис. 4, в, позволяет использовать давление слоя собственных материалов большой высоты и массы, циркулирующих в рабочей зоне окомкователя, для упрочнения НС. Она дает возможность обеспечить его деление на выходе из слоя комкуемых материалов [4; 5], а также повысить (на 5 – 10 %) прочность зародышей при достаточно равномерном фракционном составе. Делитель окомкователя, представленный на рис. 4, г, позволяет разделять НС криволинейным плужковым делителем упрощенной конструкции. Такая схема дает возможность получать зародыши в широком диапазоне размеров, включая большое количество мелочи фракции 0 – 2 мм (43,4 %) и крупных кусков размером более 10 мм. В схеме, показанной на рис. 4, д, в качестве делителя НС используется тонкая металлическая струна, натянутая на конический барабан, которая одновременно выполняет функции продольного и поперечного деления НС и дает возможность существенно снизить усилия, прикладываемые к НС при его делении. Устройство характеризуется низкой налипаемомстью массы, малой металлоемкостью и высокой технологичностью [4; 5]. Подобные устройства используют в керамической промышленности для деления формуемой массы. В схеме деления НС, приведенной на рис. 4, е, в качестве делителя используется цилиндрический барабан с волнообразными ребрами, позволяющими формировать из НС зародыши таблетированной формы. Повышенная налипаемость шихты в этой схеме устраняется интенсивным увлажнением ребер барабана перед делением НС на зародыши, что повышает их влажность. В схемах профилирования НС и ШГ, приведенных на рис. 4, ж, з, реализована возможность получения НС постоянной толщины, что значительно повышает равномерность фракционного состава и средний размер зародышей А_зр до 6,22 мм. В схеме деления НС, приведенной на рис. 4, и, делитель снабжен системой стержней, формирующих особую структуру зародышей. Однако в данном случае прочностные показатели существенно ниже показателей базовой схемы.

Учитывая характеристики НС и зародышевой массы (Θ_М, Θ_П, Θ_W, табл. 1, 2), полученные при реализации исследуемых технических схем, а также технологичность устройств (уровень налипаемости шихты, материалоемкость дополнительного оборудования, сложность конструктивного оформления, надежность и стабильность работы), для практического использования рекомендуется комбинированная технологическая схема получения окатышей. Она включает технологию принудительного зародышеобразования ЗНД на основе формирования НС одиночной ВШС (рис. 3, а), позволяющей использовать упрочняющие добавки в напыляемой шихте (рис. 3, з). Напыление материала в этой схеме организуют на предварительно профилированный шихтовый гарнисаж (рис. 4, ж), а деление НС на зародыши выполняют коническим барабаном, снабженным металлической струной (рис. 4, д). Реализация технологии ЗНД на основе этих элементов позволяет получать окатыши с пониженной влажностью (Θ_W = 0,97), ее рациональным распределением по сечению, необходимой и достаточной прочностью (Θ_П ≥ 1,0), благоприятной поровой структурой и максимальным выходом окатышей размером 12 – 16 мм (Θ_М = 0,72). В традиционной технологии зародышеобразования и окатывания эти параметры существенно ниже (Θ_W = 1,1, Θ_М = 0,33) [4; 5]. По этим результатам можно прогнозировать более высокую производительность окомкователя, а при последующей термообработке окатыши потребуют меньших энергозатрат на термическую сушку.

Выводы

Проанализированы результаты исследований работоспособности технических схем на основе технологии ЗНД, позволяющих управлять процессом формирования зародышей и окатышей. Сформулированы общие принципы зародышеобразования и структурообразования комкуемой массы для этой технологии. Получено типичное изменение параметров Θ_М, Θ_П, Θ_W в процессе формообразования шихты и формирования окатышей для базовых и ряда исследуемых технических схем. На основе показателей технологии ЗНД и технологичности процесса (уровень налипаемости шихты, материалоемкость дополнительного оборудования, сложность конструктивного оформления, надежность и стабильность работы) проведена оценка указанных технических схем и выбраны наиболее эффективные решения. Для практического использования рекомендована комбинированная схема получения окатышей по технологии ЗНД на основе формирования НС одиночной ВШС, позволяющей использовать упрочняющие добавки. Напыление материала в этой схеме организуют на предварительно профилированный шихтовый гарнисаж, а деление НС на зародыши выполняют коническим барабаном, снабженным металлической струной. Реализация технологии ЗНД на основе этих элементов позволяет получать окатыши с пониженной влажностью (Θ_W = 0,97) с ее рациональным распределением по сечению, необходимой и достаточной прочностью (Θ_П ≥ 1,0) и максимальным выходом окатышей размером 12 – 16 мм (Θ_М = 0,72). По результатам исследований прогнозируются более высокая производительность окомкователя и меньшие энергозатраты на последующую термообработку окатышей.