Рисунок 1. Материальный баланс одной из агломерационных фабрик ФРГ (количество материалов, т/ч).
По данным Ф. Каппеля и Г. Вендеборна, 1973 г. В дальнейшем все необходимое для процесса агломерации тепло выделяется при горении частиц коксовой мелочи в спекаемом слое. Под зоной горения, ниже изотермы 800--850 °С, располагается зона подогрева и сушки шихты, куда сверху поступают продукты сгорания. Здесь частицы твердого топлива постепенно нагреваются и воспламеняются, если в продуктах сгорания содержится достаточное для горения количество кислорода, что равносильно перемещению фронта горения вниз. Поскольку к этому моменту располагавшиеся выше частицы коксовой мелочи выгорают, то зона горения твердого топлива медленно движется к колосниковой решетке, несколько увеличивая свою толщину и имея перед собой зоны подогрева и сушки шихты. Ниже располагаются зоны сырой шихты и постели. Температура в зоне горения твердого топлива высокая (1200--1500 °С) и достаточная для плавления вещества шихты. После перемещения зоны горения вниз начинается кристаллизация расплава с образованием агломерата. Готовый агломерат, таким образом, есть продукт кристаллизации железистого расплава. По мере движения зоны горения твердого топлива толщина слоя готового агломерата непрерывно увеличивается и к концу процесса агломерат занимает весь объем чаши. Показатели спекания и качества агломерата на аглофабриках СССР в 1984 г.
Вертикальной скоростью спекания (V, мм/мин) называют скорость движения зоны высоких температур. При ее вычислении исходят из времени спекания (t, мин) и высоты (Н, мм) спекаемого слоя: v = H/t. На аглофабриках страны в зависимости от газопроницаемости шихты вертикальная скорость спекания колеблется в пределах 20-30 мм/мин. Продолжительность агломерации руды составляет соответственно 8--12 мин.
Качество агломерата определяется следующими свойствами: прочность; разрушение при нагреве и восстановлении в доменной печи; восстановимость; температура начала размягчения и коротким интервалом размягчения. Прочность агломерата определяется строением его кусков (их текстурой) и минералогическим составом. Е.Ф. Вегманом в 1965 г. установлено, что кусок агломерата не является однородным и представляет собой систему блоков (сгустков вещества), разделенных крупными порами неправильной формы. Блоки сварены друг с другом по поверхности, и текстура куска в целом напоминает строение виноградной грозди. На рисунке показана текстура производственного агломерата на одном из участков куска. Видны три блока, разделенные крупными порами.
Независимо от особенностей формы и размеров блоки имеют одинаковое концентрически-зональное строение. Периферийная зона блока состоит главным образом из кристаллов магнетита, между которыми находится небольшое (5--10%) количество силикатной связки и стекла. Ближе к центру расположена промежуточная зона с повышенным (10--30%) количеством связки. Наконец, в центре блока всегда имеется одно или несколько силикатных «озер», которые на 60--80% состоят из Са-оливина. Здесь среди массы силикатов и стекла расположены дендриты магнетита, его скелетные кристаллы, эвтектики Са-оливин-магнетит, силикаты кальция. Остатки руды встречаются только в периферийной зоне блока, а остатки коксовой мелочи только в его центральной части. Пористость в пределах блока тонкая. Форма сечения пор близка к круглой. Абсолютные размеры блоков увеличиваются по мере укрупнения коксовой мелочи, используемой для спекания. Теория формирования блоков, предложенная Е.Ф. Вегманом, связывает их происхождение с образованием сгустков расплава вокруг горящих частиц коксовой мелочи. На рисунке приведена схема формирования системы из трех блоков. После воспламенения частиц коксовой мелочи вокруг них образуются сгустки расплава. Размеры сгустков растут и, наконец, они начинают касаться друг друга. После выгорания частиц топлива расплав охлаждается и кристаллизуется в первую очередь в наиболее холодной, периферийной зоне блока (см. рис. г). Первым выделяется из жидкой фазы магнетит, и расплав оттесняется в наиболее горячую центральную часть блока. Силикатный расплав, обедненный оксидами железа, кристаллизуется последним, образуя центральное силикатное озеро. Мелкие поры внутри блоков являются результатом прохождения воздуха и отходящих газов через расплав. Прохождение крупных пор между блоками иное. При наиболее плотной упаковке частиц шихты объем пор между ними составляет 25--30%. В ходе спекания из шихты выгорает коксовая мелочь (15--20 об.%).
Следовательно, объем расплава на 25--40% меньше объема шихты. При образовании литых блоков между ними неизбежно возникают крупные усадочные раковины. Для агломератов из руд и концентратов КМА объем межблочных пор составляет 22-38%, что подтверждает высказанную выше гипотезу. В пироге агломерата блочная текстура кусков наиболее четко проявляется в верхней и особенно в средней его частях. Вблизи колосниковой решетки тепловой уровень процесса возрастает, поэтому здесь образуется монолитный литой кусок агломерата. Однако под микроскопом различимы контуры образовавшихся до перeоплавления этой зоны блоков, которые сохраняют свою индивидуальность, хотя межблочные крупные поры и были залиты расплавом. При перегрузках и транспортировке агломерата, как показали исследования Е.Ф. Вегмана, Э.Г. Бушиной и Н.К. Корниловой, в первую очередь разрушаются связи между блоками. При этом кусок агломерата рассыпается на отдельные блоки или на их группы (процесс «индивидуализации»). Что касается самих блоков, то они являются прочными образованиями с литой концентрически-зональной структурой. Для их разрушения требуются затраты значительного количества энергии. Поскольку блоки формируются вокруг горящих частиц твердого топлива, их размер определяется крупностью топливных частиц. Тонкие частицы коксовой мелочи (<0,5 мм) сгорают слишком быстро и не могут создать вокруг себя блоков. Оптимальными, с точки зрения прочности, являются блоки размером 15--20 мм, возникающие вокруг частиц коксовой мелочи диаметром 1--3 мм. Кроме текстуры агломерата, на его прочность большое влияние оказывает и минералогический состав спека. Присутствие в кусках агломерата остатков шихты, гематита, магнетита, кварца, тюрингита значительно ослабляет кусок. Особенно вредно действуют включения известняка и извести. Известь гасится водой с образованием портландита, приводящим к разрушению куска агломерата. Из этого следует, что агломерационная шихта не должна содержать рудных частиц >8 мм и частиц известняка >3 мм. Вредное воздействие на прочность агломерата оказывает также присутствие в его структуре хрупкого стекла, в особенности двухкальциевого силиката. Последний при охлаждении куска агломерата (675 °С) претерпевает полиморфное превращение В-Ca2SiO4 --> Y-Ca2SiO4, в ходе которого объем этой фазы возрастает на 11--12%. Это создает огромное внутреннее напряжение в куске агломерата, его прочность резко снижается. На рисунке 3 отражено влияние основности на прочность агломерата (выход фракции >10 мм после барабанного испытания). Прочность спека начинает резко снижаться с основности 0,4--0,5, при которой в структуре агломерата появляется Ca2SiO4. Минимальная прочность агломерата соответствует основности 1,3--1,5. Дальнейшее увеличение основности приводит к появлению Ca3SiO5, не подверженного полиморфным превращениям. Уменьшается количество хрупкого стекла, появляется новая прочная связка -- ферриты кальция; структура агломерата (внутри блоков) становится более однородной. Все это способствует повышению прочности агломерата. Таким образом, высокоосновный агломерат (железофлюс) оказывается таким же прочным, как неофлюсованный агломерат.
Добавки в агломерационной шихте руд с глиноземистой пустой породой, как уже указывалось, позволяют повысить основность, при которой в структуре агломерата появляются силикаты кальция, т. е. уменьшить их количество в агломерате, повысить прочность спека. Н.. Якубцинер в 1940 г. установил, что на прочность спека благоприятно влияет присутствие доломитизированного известняка (Са, Mg) (СO3) в шихте. Магний при кристаллизации входит в решетку Ca2SiO4 и предотвращает полиморфное превращение B-Ca2SiO4 -> Y-Ca2SiO4. При спекании криворожских руд с расходом коксовой мелочи (5--6%) ввод в агломерат 3% MgO снижает выход мелочи (< 5 мм) после барабанного испытания с 22--25 до 17-20%. В настоящее время доломитизированный известняк добавляют в агломерационную шихту на большинстве аглофабрик мира. В 1962 г. Е.Ф. Вегманом была предложена технология термической обработки агломерата, т. е. кратковременного повторного нагрева пирога пламенем газовых горелок (1100--1150 °С), установленных над хвостовой частью агломерационной ленты. Термообработка позволяет снять внутренние напряжения в пироге агломерата, провести процесс раскристаллизации стекла с выделением из его массы мельчайших кристаллов и дендритов магнетита. Кроме того, в ходе термообработки дополнительно снижается содержание остаточной серы в агломерате и увеличивается пористость и восстановимость продукта. Применение этой технологии на аглофабрике в г. Рустави (Грузия) позволило снизить барабанный показатель прочности агломерата с 34,7 до 32,4% при одновременном уменьшении расхода коксовой мелочи с 6,5 до 5,5%. Производительность ленты (62 м2) повысилась на 8%. В дальнейшем технология термической обработки была использована на четырех агломерационных лентах (по 75 м2) Коммунарского металлургического комбината. При сокращении расхода коксовой мелочи в агломерационном цехе на 10% удалось снизить содержание мелочи (фракция <5 мм) в скиповом агломерате с 14,8 до 11,8%. Это, в свою очередь, привело к увеличению производительности доменных печей на 1,5% и снижению удельного расхода кокса на 2%. В современных условиях на металлургических заводах страны количество мелочи в скипах достигает 15--25%, а лучший барабанный показатель прочности агломерата составляет 70--80% (содержание фракции <5 мм в годном агломерате после 8 мин обработки во вращающемся с частотой 25 мин"1 барабане диаметром 1000 и длиной 500 мм, снабженном по внутренней поверхности двумя уголками). В идеальном случае агломерат не должен содержать фракции <5 мм; его крупность должна составлять для малых и средних печей 5--40, а для сверхмощных печей 15--40 мм. Повышение прочности агломерата является большим резервом в улучшении технико-экономических показателей работы доменных печей.
Однако агломерат разрушается еще и в самой доменной печи при нагреве и восстановлении («горячая прочность»). Причины этого явления были рассмотрены ранее. Применительно к офлюсованному агломерату экспериментально установлено отрицательное влияние присутствия гематита и стекла на его горячую прочность. Гематит при нагреве в восстановительной атмосфере меняет удельный объем, увеличивая внутренние напряжения, и разрушается вследствие анизотропии восстановления. Стекло сохраняет хрупкость вплоть до 600--700 °С, когда становится пластичным и релаксирует напряжения. Таким образом, присутствие стекла вредно сказывается не только на холодной, но и на горячей прочности агломерата. Влияние других факторов на горячую прочность исследовано пока недостаточно. Есть данные о том, что массивные литые структуры агломерата, полученного при повышенном расходе твердого топлива, обеспечивающие высокую холодную прочность, не дают высокой горячей прочности. В ФРГ, Швеции, Японии отдают предпочтение пористым малооплавленным агломератам, структура которых допускает хотя бы минимальные взаимные перемещения структурных составляющих под действием внутренних напряжений. Опыты показали, что такие агломераты с 5--10% FeO обладают так называемой гибкой структурой, которая обусловливает повышенную горячую прочность. Повышение горячей прочности агломерата является предметом исследований во многих странах мира. Восстановимость агломерата, как это было показано в исследовании К. К. Шкодина, связана в основном с поверхностью пор, доступных газу-восстановителю. В небольшой степени на восстановимость влияет и минералогический состав агломерата. В частности, восстановимость снижается, если в агломерате присутствуют трудновосстановимые фазы: фаялит Fe2SiO4, Са-оливин, браунмиллерит 4CaO-Al2O3 Fe2O3 и стекло. Восстановимость офлюсованного агломерата меняется с увеличением основности по экстремальной зависимости. Максимум восстановимости относится к агломерату основности CaO + SiO2 = 1,4-1,5. Как показал опыт, восстановимость офлюсованного агломерата в настоящее время соответствует современным требованиям доменной технологии. Температура начала размягчения в восстановительной атмосфере неофлюсованных агломератов, агломератов основностью 0,5--0,7 и 2--4 составляет соответственно 1100-1150, 1050--1100 и 1200-1250 °С. Минимальная температура начала размягчения соответствует максимальному количеству стекла в агломерате основностью 0,5--0,7, так как стекло, не имеющее фиксированной точки плавления, размягчается в широком интервале температур.
Заключение
тулачермет доменный агломерационный цех
Целью практики являлось закрепление и углубление теоретических знаний, полученных при изучении общетехнических и специальных дисциплин. В период прохождения практики я проделал следующую работу:
- изучал структуру предприятия, назначение его подразделений и служб, проходил инструктаж по ТБ и ОТ;
- изучал технологические операции по производству черных металлов;
- изучал системы автоматического управления технологическим процессом;
- эксплуатировал технологическое и подъемно-транспортное оборудование, обеспечивающее процесс производства черных металлов;
- анализировал качество сырья и готовой продукции;
- анализировал причины брака выпускаемой продукции и участвовал в разработке мероприятий по его предупреждению;
- анализировал и оценивал состояние техники безопасности, промышленной санитарии и противопожарной защиты на производственном участке;
- учился принимать решения в нестандартных ситуациях, возникающих в рамках технологического процесса;
- принимал участие в разработке новых технологий и технологических процессов;
- участвовал в обеспечении и оценке экономической активности;
- оформлял результаты экспериментальной и исследовательской деятельности;
- подбирал и рассчитывал состав шихтовых материалов;
- осуществлял операции по подготовке шихтовых материалов к плавке;
- выполнял операции по загрузке плавильных агрегатов и выпуску продуктов плавки;
- находил причины нарушений технологии и пути их устранения;
- рассчитывал тепловой и материальный баланс выплавки черных металлов;
- оценивал качество сырья, полупродуктов и готового продукта по результатам лабораторных анализов.
Результаты выполненной работы были занесены в дневник.