ШИХТА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АГЛОМЕРАТА
SINTER PRODUCTION CHARGE

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при производстве агломерата в черной и цветной металлургии, в частности в доменном производстве.
Известна шихта для производства агломерата, включающая железорудный материал, топливо, флюс и связующее, содержащее органические поверхностно- активные вещества, в качестве которых используют сточные воды фабрик-прачечных в количестве 5-10 мас. % при следующем соотношении остальных ингредиентов, масс. %: флюс 5-10; топливо 5-10; железорудный материал - остальное (а.с. СССР №1770414 A1, С22В 1/244, 1992).
Недостатком данной шихты является высокий расход сточных вод фабрик-прачечных. Поступающая влага совместно с влагой железорудного концентрата мокрого обогащения, флюса и топлива приводит к переувлажнению шихты, а это ведет к ухудшению окомкования, и, как следствие, к снижению производительности агломерационной машины, ухудшению качества агломерата по прочности и по содержанию серы. Недостаток агломерата приходится компенсировать расходованием сырой руды. Уменьшение количества агломерата и ухудшение его качества снижают производительность доменной печи и повышают удельный расход кокса.
Известна шихта для производства агломерата, состоящая из смеси компонентов железорудного материала, топлива, флюса, включающая в качестве связующего органическое вещество катамин, при следующем соотношении компонентов, мас. %: флюс 5-10; топливо 5-10; катамин 0,01-0,03, железорудный материал - остальное (Патент РФ №2255125, кл. С22В 1/244, опубл. 27.06.05).
Недостатком известной аглошихты является относительно высокая крупность ее компонентов, вследствие чего при окомковании незаполненные свободные полости между частицами уменьшают действие молекулярных сил сцепления в увлажненной аглошихте. По этим причинам не удается обеспечить достижение высокого уровня удельной производительности агломерационной установки, качества агломерата по истираемости, восстановимости, содержанию серы и мелочи 5-0 мм.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является шихта для производства агломерата, содержащая рудные материалы коксовую мелочь и добавки, в качестве которых используют отходы термопластов при следующих отношениях компонентов, масс. %: отходы термопластов 1-4; коксовая мелочь 5-14; рудные материалы - остальное (А.с. СССР №1435632, кл. С22В 1/16, 1988 г. ).
Недостатком известной шихты является повышенная крупность отходов термопластов, доходящая до 10 мм., что ведет к снижению сил сцепления дисперсных сил частиц компонентов шихты. Кроме того, в местах расположения частиц отходов термопластов развиваются излишне высокие температуры, что ведет к снижению восстановимости и истираемости агломерата. Снижение восстановимости агломерата, повышение содержания серы и мелочи ведут к снижению производительности доменной печи и повышению удельного расхода кокса.
Технической задачей изобретения является увеличение сил сцепления дисперсных частиц компонентов аглошихты, улучшение комкующих свойств аглошихты, повышение качества агломерата по прочности и восстановимости, увеличение удельной производительности агломерационной установки.
Поставленная задача достигается тем, что известная шихта для производства агломерата, состоящая из смеси компонентов рудного материала, коксовой мелочи, концентрата ММС и связующего, согласно изобретению включает в качестве связующего порошкообразную полимерную добавку Полимер СВ, выполненную в виде смеси натриевых и полиалкиленоксидных производных, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
рудная составляющая 20,0-30,0; флюс 0-10,0; коксовая мелочь 2,0-8,0; связующее 0,1-3,0; концентрат ММС - остальное.
В заявленной агломерационной шихте связующим компонентом является порошкообразная полимерная добавка Полимер СВ, выполненная в виде смеси натриевых и полиалкиленоксидных производных.
Чтобы проследить влияние полимерной добавки на качество железорудного агломерата и производительность агломерационных машин рассмотрим физико-химические показатели и строение Полимера СВ.
Полимер СВ - малоопасная по воздействию на организм человека продукция (4 класса опасности) по параметрам токсикометрии в соответствии с ГОСТ 12.1.007. Имеет ПАСПОРТ БЕЗОПАСНОСТИ РПБ №59997402 57 27146.
Выпускается в виде водного раствора, либо в виде порошка коричневого цвета. Исходя из хим. состава Полимер СВ подразделяется на категории: 1СВ, 2СВ, 3СВ, 4СВ, 5СВ. Физико-химические показатели Полимера СВ рассмотрим на примере вещества категории 5СВ.
Полимер 5СВ имеет следующие физико-химические показатели:
массовая доля воды, %, не более
10
насыпная плотность, г/ см<sup>3</sup>, не менее
400
показатели активности водородных ионов (рН) водного раствора с массовой долей вещества 2,5%, не менее
4,5
Полимер 5СВ представляет собой водорастворимые поверхностно-активные вещества (ПАВ), содержащие смесь натриевых и полиалкиленоксидных производных полиметиленнафталинсульфокислот (степень полимеризации от 20-25) с различными полярными и неполярными фунциональными группами.
Полимер 5СВ - очень слаботоксичное вещество, не образует токсичных соединений в воздушной среде и сточных водах.
Молекулы поверхностно активного вещества (ПАВ) ориентируются в поверхностном слое на границе раздела фаз (водный раствор - воздух - частица шихты) таким образом, что полярная группа, обладающая большим сродством к полярной фазе (воде), втягивается в нее, в то время как неполярный радикал выталкивается в неполярную фазу (воздух) (рисунок 1).
1 - горизонтальная ориентация; 2 - вертикальная ориентация; 3 - адсорбция клубка; 4 - адсорбция пачки; 5 - петлеобразное состояние; 6 - ассоциативные группы клубков.
В результате определенной ориентации молекул ПАВ происходит уменьшение свободной поверхностной энергии, за счет образования мономолекулярного адсорбционного слоя, создающий силовое поле для притяжения соседних частиц. В этом случае, гидрофобные частицы, ранее не участвующие в процессе окомкования, при наличии ПАВ в шихте, способны увеличиваться в размерах и служить устойчивыми зародышевыми центрами для мелких частиц, либо располагаться на поверхности уже сформированных гранул из гидрофильных частиц.
Сформированные гранулы будут приобретать прочность в результате образования адгезионных контактов между твердыми частицами. Согласно уравнению Дюпре - Юнга, работа адгезии и смачивания связаны выражением:
где σ - поверхностное натяжение на границе раздела фаз; cosθ - краевой угол смачивания.
Из уравнения (1.1) следует, что, чем меньше угол смачивания, тем прочнее адгезионные контакты и выше прочность сформированных гранул. Прочные гранулы с растворенным в порах ПАВ без значительного разрушения выдерживают нагрузки слоя шихты в зоне переувлажнения из-за того, что поверхность смоченных твердых частиц шихты является шероховатой и имеет различную кривизну.
Молекулы ПАВ, растворенные в воде, под действием избыточного давления передвигаются от выпуклых поверхностей к вогнутым или плоским и заполняют поры, способствуя тем самым проявлению стягивающего усилия между частицами и формированию адгезионных контактов.
Наличие полиалкиленовых оксидных групп в макромолекулах ПАВ улучшает их адгезию по отношению к гидрофильной поверхности частиц железорудного концентрата. Эффективность действия ПАВ по отношению к гидрофобной поверхности кокса повышается с увеличением количества карбоксильных групп в макромолекулах ПАВ. Также наличие в макромолекулах ПАВ несвязанных разнородных функциональных групп обеспечивает их высокую адгезию как по отношению к полярной поверхности рудных частиц, так и по отношению к неполярной поверхности частиц твердого топлива. В связи с этим появляется возможность расположения частиц кокса не в объеме гранулы окомкованной шихты, а на ее поверхности. Иными словами, частицы топлива не закатываются в гранулы железорудных компонентов, а являются свободными. Это интенсифицирует процесс горения топлива и формирования агломерата.
По мнению заявителя заявки, эффективность использования порошкообразной полимерной добавки Полимер СВ в агломерационном процессе определяется следующими факторами:
- улучшение смачивания поверхности рудных и коксовых частиц водным раствором полимера приводит к интенсификации процесса окомкования, снижению доли мелких частиц концентрата и увеличению газопроницаемости столба шихты и интенсификации горения топлива;
- упрочнение гранул шихты за счет полимерной связки приводит к росту их влагостойкости, и они в меньшей степени разрушаются в зоне переувлажнения нижних слоев, также способствуя увеличению газопроницаемости столба шихты и интенсификации горения топлива;
- разделение рудных гранул и частиц кокса способствует ускорению горения топлива и повышению производительности агломерационных машин;
- все выше перечисленные факторы локализуют зону горения кокса, поднимают в ней температуру и способствую спеканию и упрочнению агломерата.
Учитывая ожидаемое положительное действие порошкообразной полимерной добавки Полимера СВ на показатели агломерационного процесса, заявитель решил провести испытания в лабораторных и промышленных условиях.
Сначала провели лабораторные испытания спекания агломерационной шихты с использованием связующего в виде порошкообразной полимерной добавки Полимер СВ и результаты сравнили с базовой технологией.
Показатели лабораторных спеканий и качество агломерата приведены в таблице 1.
+5 мм
-0,5 мм
Из данных таблицы 1 следует, что в параллельных базовых спеканиях (База №1 и База №2) основные показатели процесса близки между собой. Степень окомкования равна 94,1, а вертикальная скорость спекания 4,09 мм/мин. При указанных параметрах спекания прочность базового агломерата находилась на достаточно высоком уровне и соответствовала действующим техническим условиям: выход класса более 5 мм в стандартном барабане Б=72,4, а класса менее 0,5 мм - Б=8,4.
2
Добавка к шихте Полимера 3СВ в количестве 1,0 кг/т шихты привела к незначительному росту степени окомкования, которая поднялась с 94,0% в базовом варианте до 95,4%. Это дало возможность увеличить скорость спекания с 4,09 мм/мин. в базовом варианте до 4,56 мм/мин. без существенного снижения прочности агломерата. При этом производительность установки выросла на 10,6% и достигла 0,345 т/м/час.
Добавку Полимер 5СВ с наибольшей степенью полимеризации испытывали в двух параллельных опытах. Разбег в значениях показателей процесса несколько выше, чем в базовых спеканиях, видимо, из-за сложности распределения малого количества связующего при ручном перемешивании шихты. Однако, значения показателей в обоих параллельных опытах лучше, чем в базовых. Степень окомкования достигла 96,3% и, как минимум, на 2% выше базовой. Вертикальная скорость спекания равна 5,05 мм/мин и выше наибольшего достигнутого значения в базовых спеканиях.
Несмотря на более короткое время нахождения материала в зоне высоких температур из-за увеличенной вертикальной скорости спекания, прочность агломерата в стандартном барабане по выходу класса более 5 мм была равна 72,4 и выше, чем средняя в базовых спеканиях. Причина получения более прочного агломерата заключается в более интенсивном горении топлива в шихте с повышенной газопроницаемостью и, соответственно, с локализацией высокотемпературного поля.
По лабораторным спеканиям шихты были сделаны выводы.
Применение в шихте порошкообразной связующей добавки Полимер СВ благотворно сказывается на ее окомковании. Визуально шихта с порошкообразной полимерной добавкой выглядит более равномерно окомкованной. Степень окомкования по сравнению с базовой выросла для 3СВ - на 1,3%, а для 5СВ - на 3,3%. Вертикальная скорость спекания по сравнению с базовой выросла при добавке Полимер 3СВ на 10,3%, а при добавке Полимер 5СВ - на 12,7% при сохранении высоких показателей прочности агломерата.
Достигнутые показатели использования связующего в виде порошкообразной полимерной добавки Полимер СВ в лабораторных испытаниях доказали эффективность предложенного заявителем технического решения.
Это позволило испытать порошкообразную полимерную добавку Полимер 5СВ в промышленных условиях.
3
Опытно- промышленные испытания предложенной шихты с использованием порошкообразной полимерной добавки были проведены на Высокогорском горно-обогатительном комбинате (ВГОК) при производстве агломерата для Челябинского МК. Для проведения испытаний по производству железорудного агломерата ОАО «ВГОК» закупил 40 т Полимер 5СВ, характеристика которого была приведена выше. Для подачи 5СВ в шихту был выделен шихтовый бункер емкостью 100 м, в который была помещена вся партия. Выгрузка добавки из бункера производилась конвейером с шириной ленты 1 м и длинной 2,0 м, привод которого имел регулируемую скорость вращения. Добавка с конвейера из-под бункера пересыпалась на сборный конвейер, загруженный предварительно шихтой. Шихта с добавкой после нескольких пересылок подавалась в смеситель и окомкователи машин.
По данным инструментальных замеров высоты слоя, скорости ленты, выхода агломерата из 1 т шихты и выхода возврата расчетом определяли удельную производительность каждой агломерационной машины.
Расход порошкообразной полимерной добавки определялся по данным инструментальных замеров нагрузки на 1 м конвейера из-под бункера возврата и скорости ленты.
В качестве базового режима принималась работа агломерационной фабрики с непосредственно после перехода на шихту для производства агломерата для ЧМК. После окончания базового периода включили конвейер подачи порошкообразной полимерной добавки. Его скорость рассчитали таким образом, чтобы расход Полимера 5СВ был примерно равен 0,38% в общей массе железорудной части шихты. Этот расход поддерживался весь период испытаний. При изменении нагрузки на агломерационную фабрику постоянный расход добавки поддерживали регулированием скорости конвейера, выдающего ее из бункера. Фактический расход полимера, рассчитанный по данным весового учета шихты и Полимера СВ, оказался близким к заданному и равным 0,38 кг/т шихты.
В первый опытный период высоту слоя на всех машинах поддерживали такой же, как и в базовый период, равной 250 мм.
Во второй опытный период высоту слоя на агломерационных машинах подняли в среднем на 10%. На машинах №1,3 установили высоту слоя 300 мм, а на машине №1 - оставили 250 мм, т.к. изношенность лопаток эксгаустера приводила к очень низкому разрежению в газоходе.
В базовом и обоих опытных периодах (кроме настроечного) регулирование процесса спекания осуществлялось технологическим персоналом, который устанавливал скорость агломерационных машин, влажность шихты и величину нагрузки по визуальному контролю степени прогрева слоя и прочности агломерата, сбрасываемого с паллет.
В таблице 2 приведены усредненные технологические показатели работы всех агломерационных машин и качество товарного агломерата в базовый и опытные периоды, а также усредненные данные по указанным периодам в целом по фабрике.
В таблице 3 представлены теплотехнические параметры всех машин в базовый и опытный периоды.
Приведенные в таблицах 2, 3 данные показывают, что ввод порошкообразного полимерного связующего Полимер 5СВ в железорудную часть шихты в количестве 0,38% позволил существенно улучшить комкуемость шихты. Степень окомкования в среднем по всем работающим машинам (1, 3, 4) поднялась с 60,8% до 71,3%. Однако, эти значения при использовании полимера существенно ниже полученных в лабораторных опытах, где они достигали 96% (см таблицу 1). Основная причина заключается в неоднородности окомкования шихты на разных машинах. Как следует из таблицы 2 на машине №3, где модернизирован узел загрузки шихты на ленту, а в барабане - окомкователе были установлены форсунки для равномерного увлажнения шихты горячей водой, степень окомкования приближалась к лабораторным значениям и была равна 77-83%. В то же время на машинах №№1 и 4, где модернизация не была завершена, процесс окомкования шел значительно хуже, хотя степени окомкования с добавкой все равно оказались выше, чем без нее.
Улучшение процесса окомкования за счет использования порошкообразной полимерной добавки дало возможность увеличить скорость движения ленты при неизменной высоте слоя. В опытном периоде 1 средняя скорость агломерационных машин выросла на 7,8% с 1,28 м/мин. (база) до 1,38 м/мин. Ускорение движения ленты не привело к незавершенности процесса горения топлива, а тепловой уровень в слое несколько вырос. Об этом свидетельствует повышение содержания закиси железа в готовом агломерате с 14,3% (база) до 15,9% (опытный 1) и прочности агломерата в барабане с 60,0% (база) до 67,8% (опытный 1) при неизменном выходе возврата на уровне 27,4%.
2
2
Увеличение скорости движения ленты без изменения количества возврата естественно привело к росту расчетной удельной производительности агломерационных машин №1 и №3 не менее, чем на 30%. На машине №4 из-за существенной неравномерности загрузки шихты технологический персонал не имел возможности увеличить скорость ленты, т.к. в области, где высота слоя превышала среднюю, формировалась область непропеченной шихты. Поэтому удельная производительность машины №4 оказалась ниже базовой. Несмотря на это средняя производительность фабрики поднялась приблизительно на 20% и достигла 1,013 т/м×час при базовой 0,837 т/м×час (см. таблицу 2).
2
2
Расчетные значения прироста производительности, полученные на основе разовых инструментальных замеров, подтверждаются данными, приведенными в таблице 3. За 1 час работы всех машин в базовом периоде производилось в среднем 131 т/час готового агломерата (0,583 т/м×час), а в опытном периоде 1 без учета времени простоя из-за отсутствия электроэнергии - 167 т/час (0,741 т/м×час). Значения удельной производительности машин, определенные по фактически произведенному агломерату, ниже, чем по инструментальным замерам. Это объясняется тем, что при учете времени для производства определенной партии агломерата не вычитается время кратковременных остановок, связанных с техническими причинами.
Во втором опытном периоде на машинах №3 и №4 высоту слоя подняли с 250 мм до 285 мм и 293 мм соответственно. Для этих машин разрежение в коллекторе было равно 767,5 мм вод. ст.и 809,2 мм вод. ст. (см. таблицу 3). Этих величин оказалось достаточно для нормального спекания с практически полным сгоранием кокса. О высоком тепловом уровне в высоком слое свидетельствуют ряд факторов:
- температура отходящих газов оказалась выше, чем в базовом режиме, и превысила 100°С; следовательно, в нижних слоях топливо сгорело и спекание агломерата завершилось в полном объеме;
- содержание закиси железа в готовом агломерате поднялось с 14,3% (база) до 17,8% (опытный 2).
На машине №1 разрежение в коллекторе не поднималось выше 600 мм вод. ст. Поэтому заявитель не увеличивал высоту слоя, опасаясь, что кокс шихты, непосредственно прилегающей к колосникам, не сгорит и резко увеличится количество возврата и соответствующий конвейер не справится с нагрузкой.
Несмотря на то, что на машине №1 высота слоя оставалась такой же, как и в базовом периоде, средняя высота слоя по фабрике в опытном периоде 2 поднялась на 8% с 256 мм до 276 мм. При этом скорость движения лент на машинах №3 и №4 снизилась менее, чем на 6%.
Увеличение времени и интенсивности тепловой обработки слоя повышенной высоты естественно отразилось на качестве агломерата. Прочность товарной продукции поднялась, как по сравнению с базовым периодом (на 7,8%), так и с опытным периодом 1 (на 1,6%), достигнув величины 67,8%. При этом доля возврата сократилась с 27,4% (периоды базовый и опытный 1) до 21,5%.
Снижение выхода возврата в опытном периоде 2 обеспечило рост средней удельной производительности всех машин, определенной по инструментальным разовым замерам на 18%. Даже более высокий рост производительности рассчитан по объему выпуска агломерата за время опытного периода 2 (см. таблицу 3). В этом случае рост производительности достигал 30%.
Таким образом, заявитель установил, что наиболее эффективно порошкообразная полимерная связующая добавка Полимер СВ действует в случае спекания в повышенном слое. Это объясняется тем, что за счет повышения газопроницаемости хорошо окомкованной шихты, которая не размокает в зоне переувлажнения, удается полностью сжечь кокс в повышенном слое и увеличить время его тепловой обработки шихты за счет локализации зоны горения и сокращения тепловых потерь в окружающую среду. В результате повышается прочность агломерата и увеличивается выход годной товарной продукции при сокращении количества возврата.
Помимо выпуска дополнительной продукции при использовании порошкообразной полимерной добавки сокращаются энергетические затраты с ростом производительности машин. В таблице 3 приведены удельные расходы природного газа и кокса, рассчитанные, как по экспериментальным замерам, так и по данным стационарных КИП.
Удельный расход природного газа снизился в обоих опытных периодах по сравнению с базовым периодом в среднем на 17% за счет того, что при росте производительности машин в опытных периодах условия зажигания слоя существенно не меняются и абсолютный расход природного газа остается одинаковым во всех периодах.
Доля кокса в шихте опытных периодов незначительно поднялась по сравнению с базовым периодом на 2-4% (относительных). Это сделано для гарантированного достижения требуемой прочности агломерата при росте производительности.
Проведенные опытно - промышленные испытания позволили установить улучшение следующих показателей за счет ввода в шихту порошкообразной полимерной связующей добавки Полимер 5СВ:
- рост производительности агломерационных машин не менее, чем на 18%;
- снижение расхода природного газа не менее, чем на 12%;
- снижение расхода электроэнергии не менее, чем на 10%;
- снижение расхода кокса не менее, чем на 10%;
Для обоснования преимуществ заявляемой шихты для производства агломерата в сравнении с шихтой - прототипом, заявитель провел отдельные опытные испытания. Результаты испытаний приведены в таблице №4.
Результаты спекания агломерата, полученного при различном количественном содержании связующего компонента показали, что заявляемая шихта (составы 5,6,7, табл. 4) с использованием связующего, выполненного в виде порошкообразного Полимер СВ имела наилучшие показатели в сравнении с шихтой- прототипом по качеству агломерата и прочностным показателям.
Состав шихты был следующим, мас. %: рудная составляющая 20,0-30,0, флюс 0-10, связующее 0,1-3,0, концентрат ММС - остальное.
Указанные пределы значений компонентов шихты по достигнутым опытно-экспериментальным и промышленным испытаниям, по мнению заявителя, являются наиболее оптимальными.
Пределы содержания рудной составляющей шихты (20,0-30,0) обусловлены удельной производительностью машин. Увеличение содержания (более 30,0%) приводит к снижению качества агломерата из-за снижения газопроницаемости шихты и снижения скорости спекания агломерата. Снижение содержания рудной составляющей (менее 20,0%) ведет к снижению качества агломерата по истираемости, восстановимости и содержанию мелочи 5-0 мм.
Пределы содержания в шихте флюса (0-10,0) обусловлены прочностными характеристиками агломерата. Увеличение содержания (более 10,0%) флюса приводит к снижению прочностных свойств агломерата.
Пределы содержания связующей добавки в виде порошкообразного Полимер СВ (0,1-3,0) обусловлены повышением газопроницаемости окомкованной шихты, при этом удается полностью сжечь кокс в повышенном слое и увеличить время его тепловой обработки шихты за счет локализации зоны горения и сокращения тепловых потерь в окружающую среду. В результате повышается прочность агломерата и увеличивается выход годной товарной продукции при сокращении количества возврата.
Проведенные опытно-промышленные испытания позволили установить улучшение следующих показателей за счет ввода в шихту полимерной связующей добавки Полимер 5СВ:
- рост производительности агломерационных машин не менее, чем на 18%;
- снижение расхода природного газа не менее, чем на 12%;
- снижение расхода электроэнергии не менее, чем на 10%;
- снижение расхода кокса не менее, чем на 10%;
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию " новизна".
Анализ патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков, используемых в предлагаемом изобретении, по функциональному назначению. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемый вариант шихты для агломерата был опробован на ОАО " Высокогорский горно-обогатительный комбинат", что подтверждает промышленную применимость изобретения.