Окислительный упрочняющий обжиг окатышей

Процессу окислительного обжига окатышей из магнетитовых концен­тратов предшествует их сушка. Сырые окатыши достаточно прочны (3,3-3,7 Н/м²), поэтому операции их сушки и термической обработки Следует проводить так, чтобы не нарушать сплошность и не разрушать их. В то же время неинтенсивный нагрев окатышей обусловливает низкую производительность обжигового агрегата, повышает расход топлива, снижает рентабельность производства. По исследованиям В.М. Витюгина в процессе сушки окатышей возможны два вида разрушения: трещинообразование на поверхности окатышей и высокотемпературное взрывообразное разрушение с образованием мелочи. При высыхании развиваются напряжения как способствующие, так и препятствующие упрочнению окатышей. Соотношение положительных и отрицательных факторов может быть различным и определяется физико-механическими свойствами структуры сырых окатышей и режимом сушки.

В промышленных условиях сушку (и обжиг) окатышей ведут в слое, чем обусловлен своеобразный характер изменения температуры и влаж­ности окатышей (рисунок 18). В начальный период сушки разупрочнение окатышей чаще всего проявляется в виде трещин, представляющих собой локальные разрушения окатышей глубиной до 2 мм различной длины. Трещины резко снижают прочность готовых окатышей (рисунок 19). Если в сырых окатышах прочность обеспечивается главным образом капилляр­ными силами (без образования коагуляционных структур), то начало сушки, характеризующееся удалением капиллярной влаги, особенно опасно с точки зрения трещинообразования. В этом случае при удалении капиллярной влаги резко снижается пластичность окатышей, уменьшает­ся расстояние между частицами окатыша, происходит его усадка, сопро­вождаемая разрушением.

Рисунок 18. Изменение температуры (1,2) и влажности (3, 4) окатышей в процессе сушки: 1,3 — для поверхностных окатышей; 2, 4 — для окатышей в средней части слоя

Рисунок 19. Влияние конечной темпера­туры на механическую прочность ока­тышей: 1 — обычных; 2 — с трещинами

Подогрев и обжиг имеют наибольшее значение для формирования свойств окатышей, так как образование эффективных связей между частицами происходит именно в этих процессах.

Благодаря применению высококалорийного топлива и использованию в камерах горения горячего воздуха из зон охлаждения обжиг протекает в окислительной атмосфере при значительном содержании кислорода в фильтрующихся через слой окатышах или в омывающих их газах. Поэто­му при обжиге окатышей из магнетитового концентрата большое значение имеет процесс окисления магнетита, влияющий на механизм упрочнения и тепловой баланс, поскольку это превращение связано с выделением тепла в количестве 499 кДж/кг магнетита.

Окисление зерен магнетита в окатышах начинается при температуре 470 - 520 К, и в реальных условиях полное их окисление при необходимом содержании кислорода в газовой фазе достигается при 1170 - 1270 К.

Образование гематитовых зерен и их рост происходят при температуре выше 1270 К, при этом гематитовые кристаллы спекаются между собой с образованием механически прочного пространственного каркаса в ока­тыше. С наибольшей скоростью процесс рекристаллизации протекает при температуре выше 1470 К. Развитию этого процесса способствует наличие оксидов пустой породы, образующих с вторичным магнетитом железис­тые силикаты или стекло переменного состава, выполняющие роль до­полнительной связки. Такого рода комбинированная связка обеспечивает наиболее благоприятное сочетание физико - механических и металлургиче­ских свойств окатышей. Однако при чрезмерном развитии шлаковой связки снижается пористость и восстановимость окатышей, повышается их хрупкость.

Если при обжиге окатышей из магнетитовых концентратов содержание кислорода в газовой фазе недостаточно или обжиг проводится в нейтраль­ной или восстановительной атмосфере, при 1170 К начинается заметное упрочнение окатышей за счет рекристаллизации магнетита с образованием магнетитовой связки. При температуре 1470 К в присутствии кремнезема и закиси Fe возникает шлаковая связка, цементирующая рудные зерна.

Кроме кремнезема, функцию шлакообразующих как при окислитель­ном, так и при нейтральном обжиге окатышей могут выполнять СaО, МgО, Аl₂O₃ и другие оксиды. При получении офлюсованных окатышей из магнетитовых (или окислительном обжиге), а также из гематитовых концентратов на основе CaО при температуре 1170 - 1460 К в твердой фазе образуется дополнительная связка в виде ферритов Ca. При более высокой температуре обжига они неустойчивы и могут участвовать в фор­мировании прочностных свойств готовых окатышей лишь при высокой их основности (1,2 и выше).

Для упрочнения окатышей из гематитовых концентратов особое значе­ние приобретает степень измельчения материала и интенсификация про­цессов кристаллизации новых фаз. Наличие флюса снижает минимальную температуру, при которой начинается упрочнение окатышей. С целью увеличения числа центров кристаллизации целесообразна добавка в шихту обожженного возврата или предварительно восстановленного материала. В результате повышается ударная прочность и сопротивление истиранию и сжатию окатышей, снижается температура обжига, При которой дости­гается максимальная прочность, улучшается прочность при восстановлении.

Роль стадии подогрева заключается в том, чтобы постепенно довести температуру окатышей до температуры упрочнения. Для большинства концентратов и рудной мелочи, не содержащих гидрооксидов или карбо­натов, скорость повышения температуры в зоне подогрева может быть сравнительно высокой. Однако скорость нагрева должна быть ограничена при обжиге окатышей из искусственного магнетита или из материалов, содержащих гидратированные или карбонатные железорудные оксиды или породы, которые при высокой скорости нагрева могут вызвать растрескивание окатышей вследствие выделения летучих.

Длительность подогрева для кристаллических материалов может составлять 3 мин, в то время как для окатышей из искусственного магне­тита или гидратированных железных оксидов продолжительность подогре­ва должна быть увеличена до 10 - 15 мин.

Исследования шведской фирмы ЛКАБ показали, что увеличение дли­тельности подогрева с 2 до 6 мин значительно улучшает металлургические свойства готовых окатышей даже из магнетитовых концентратов, не со­держащих летучих. При подогреве в течение 6 мин и обжиге продолжи­тельностью 4 мин достигнуты, наилучшие механические и металлургиче­ские свойства окатышей. Увеличение продолжительности конечного обжига приводит к значительно меньшему улучшению качества, чем по­вышение длительности подогрева. При кратковременном (2 мин) подо­греве вообще не удавалось получить окатыши высокого качества даже при длительности конечного обжига 10 мин. Было замечено также, что при быстром нагреве увеличение удельной поверхности концентрата может не улучшать, а, напротив, ухудшать свойства обожженных окаты­шей. Это подтвердило ранее высказанное положение о необходимости ограничения скорости нагрева окатышей перед обжигом.

Отрицательное влияние быстрого нагрева, подтверждено также иссле­дованиями в Московском институте стали и сплавов и объяснено увели­чением не только термических напряжений, но также и внутренних напря­жений, связанных с фазовыми превращениями материалов, особенно при окислении магнетита, в результате которого объем увеличивается на 2%. Кровле того, исходный монокристалл магнетита, окисляясь в не­скольких зародышевых центрах по главным кристаллооптическим на­правлениям, превращается в поликристалл гематита, представляющий собой сросток различно ориентированных, более мелких кристаллов гематита. В результате этого внутри каждого поликристалла возникают напряжения, сначала на стадии окислительного обжига, затем при вос­становлении в доменной печи (вследствие анизотропии восстановления и изменения объема каждого мелкого кристаллика, входящего в состав поликристалла). Отрицательное влияние быстрого нагрева, по - видимому, заключается также в условии диспергирования гематита при окислении магнетита.

В процессе обжига офлюсованных окатышей нагревать их следует с меньшей скоростью, чем неофлюсованных. Это объясняется выделением углекислого газа при нагреве известняка выше 1170 К.

Для обеспечения высокой прочности окатышей максимальная темпера­тура обжига окатышей и продолжительность пребывания их при этой температуре должны быть достаточно высокими для рекристаллизаций зерен и образования шлаковой связки.

В последние годы в связи с обнаруженным фактором значительного разрушения слабообожженных окатышей при восстановлении наметилась тенденция к повышению максимальной температуры обжига: для неофлю­сованных окатышей до 1570 - 1620 К, для офлюсованных - до 1510 - 1560 К (нижний предел относится к высокоофлюсованным окатышам из менее богатого железорудного сырья). Оптимальный интервал колеба­ний температуры обжига офлюсованных окатышей в 2 - 3 раза меньше, чем неофлюсованных, и составляет +10 - 15 К. Величина этого интервала уменьшается с увеличением основности и содержания пустой породы в окатышах.

С увеличением температуры обжига прочность окатышей сначала возрастает, затем уменьшается, восстановимость же все время снижается. На окомковательной фабрике КЦГОК максимальная прочность офлюсо­ванных обожженных окатышей (основность 0,7) в холодном состоянии.

При восстановлении достигается при температуре обжига соответственно 1540 и 1520 - 1550 К (рисунок 20).

Рисунок 20. Зависимость прочности (1) и вос­становимости (2) окатышей КЦГОК от температуры обжига (3 - прочность в хо­лодном состоянии)

Особенно опасен недообжиг: при уменьшении температуры обжига ниже 1470 К резко снижается металлургическая прочность окатышей. При температуре обжига менее 1410 К количество мелочи, образующееся при восстановлении, составляет более 10%.

Верхний предел температуры обжига ограничивается необходимостью получения окатышей максимальной прочности при высокой восстанови­мости, а также размягчением окатышей с образованием спеков и настылей.

Большое влияние на качество окатышей оказывает также продолжи­тельность обжига (рисунок 21). Лабораторные исследования показывают, что ее минимальная величина соответствует 5 мин. Увеличение продолжительности обжига до 10 мин заметно улучшает свойства окатышей, однако дальнейшее увеличение не оказывает существенного влияния.

Рисунок 21. Зависимость прочности неофлюсо­ванных (а) и офлюсованных (б) окатышей основностью 0,9 от продолжительности об­жига (цифры у кривых - температура обжига. К)

При охлаждений происходит дополнительное окисление окатышей кислородом воздуха, особенно если обжигали их при высоких темпера­турах, способствующих образованию вторичного магнетита.

Важную роль в процессе окислительного обжига окатышей играют минералогические особенности магнетитового концентрата. Например, в костомукшских и лебединских магнетитовых концентратах, рудная часть которых представлена одним магнетитом, окисление активно раз­вивается по плоскостям спайности зерен магнетита в широком интервале температур. При температурах 370 - 670 К окисление сопровождается преимущественно образованием промежуточной фазы - маггемита (γ - Fe₂O₃). Образуя плотную оболочку на поверхности магнетита, маггемит вызывает замедление, его окисления. При температурах выше 700 К скорость процесса возрастает в связи с тем, что окисление магне­тита происходит через гематит с разрыхлением кристаллической решетки.

Напротив, рудная часть лисаковского обжиг магнитного концентрата является неоднородной: магнетит в кристаллической решетке содержит различное количество ионов Al, Si, Р; зерна магнетита и пустой породы сцементированы вюститом, фаялитом. Это создает трудности на началь­ной стадии окисления которое до температуры 870 К носит очаговый ха­рактер, главным образом, за счет окисления до магнетита вюстита и части магнетита, свободного от примесей, до маггемита и гематита.

В условиях окислительного обжига окисление магнетита с максималь­ной скоростью протекает в костомукщских концентратах при температу­рах 1270 - 1470 К, в лебединских - 1170 - 1270 К. Для окатышей из лиса­ковского концентрата максимальная скорость окисления достигается в узком температурном интервале 970 - 1170 К.

Эти особенности окисления предопределяют режим обжига окатышей в промышленных условиях, так как в условиях окислительного обжига без завершения стадии окисления магнетита в окатышах их прочную структуру (2 - 3 кН/окатыш) получить не удается.