p { margin-bottom: 0.21cm; }

ЛЕКЦИЯ 22. АГЛОМЕРАЦИОННЫЙ ОБЖИГ. СУЩНОСТЬ И СПОСОБЫ

Агломерация – это процесс спекания мелкой руды или концентратов в прочный кусковый и пористый материал – агломерат. Агломерация является самым распространенным способом окускования. При окусковании сульфидных материалов происходит полное или частичное удаление серы, в этом случае агломерация является процессом обжига-спекания.

При агломерации материалы шихты претерпевают физико-химические превращения, вызывающие образование легкоплавкой массы. Последняя цементирует и сваривает тугоплавкие компоненты шихты в кусок агломерата. Тепло для нагрева и частичного оплавления шихты получают за счет горения вводимого коксика (агломерация оксидных руд) или за счет окисления сульфидов рудного сырья.

Спекание рудной мелочи может осуществляться тремя способами:

• спеканием во взвешенном состоянии;

• спеканием во вращающихся печах;

• спеканием в слое, через который просасывается или продувается воздух (газ).

Первый способ заключается в сплавлении мелкого материала на пути его падения в печи шахтного типа за счет восходящего потока горячих газов. Спекание во вращающихся печах основано на принципе скатывания размягченной нагреванием рудной мелочи в комки сферической формы. Эти способы имеют ограниченное применение.

В цветной металлургии используют спекание на ленточных машинах с прососом или продувом газов.

Процесс агломерации методом просасывания заключается в следующем. Подготовленная шихта загружается на непрерывную ленточную машину с днищем, представляющим собой колосниковую решетку, набранную из отдельных тележек (паллет). Под решеткой расположены камеры, в которых дымососом создается разрежение, обеспечивающее просасывание воздуха через слой шихты (обычно его высота 250–300 мм) на колосниковой решетке. Горючие компоненты (коксик, антрацит или сульфиды) воспламеняются на поверхности слоя за счет горячих (1250–1300°С) газов зажигательного горна, отапливаемого природным газом или мазутом. Образующиеся горячие газы просасываются через шихту, и зона горения топлива постепенно перемещается из верхних горизонтов шихты в нижние, пока не дойдет до колосниковой решетки и процесс горения топлива не прекратится. За счет горения углерода, окисления сульфидов, процессов ошлакования некоторых оксидов температура в слое достигает 1200–1250°С. Эта температура обеспечивает образование жидкой фазы, необходимой для получения агломерата.

Схема агломерации при просасывании воздуха показана на рис. 2.34. В слое шихты спекания различают шесть зон, в каждой из которых протекают определенные физико-химические превращения.

Зона постели прямого участия в процессе агломерации не принимает: она предохраняет колосниковую решетку от пригорания агломерата и сокращает пылевынос. Для образования постели используют мелкий (10–25 мм) агломерат.

Зона переувлажнения, лежащая непосредственно над зоной постели, характеризуется повышенной влажностью, большей на 20–30 % влажности исходной шихты. Переувлажнение происходит за счет конденсации в более холодной зоне влаги из зоны сушки. Переувлажнение снижает газопроницаемость шихты. В зоне сушки происходит интенсивное удаление влаги. При высыхании комки частично рассыпаются, и это приводит к уплотнению шихты, повышается сопротивление прохождению газов. Поэтому зона сушки должна быть минимальной.

В зоне интенсивного подогрева под действием горячих продуктов вышележащей зоны происходит нагрев материалов до температуры воспламенения горючих составляющих и начинается термическое разложение неустойчивых химических соединений шихты.

В зоне горения происходит горение топлива и окисление сульфидов, интенсивное разложение карбонатов, высших сульфидов, плавление легкоплавких компонентов и шлакообразование. В этой зоне развиваются максимальные температуры, идет процесс формирования агломерата. Толщина зоны горения 15–20 мм. Высокие температуры в этой зоне определяют получение агломерата с более высокими механическими свойствами.

Зона готового агломерата характеризуется законченным термическим процессом. Спек-агломерат в этой зоне охлаждается просасываемым воздухом.

Границы зон перемещаются сверху вниз по мере горения топлива шихты. Положение различных зон на агломерационной машине показано на рис. 2.35.

Скорость, с которой происходит перемещение зоны горения, определяет продолжительность процесса агломерации, ее называют вертикальной скоростью спекания. Она составляет 12–20, может доходить до 30 мм/мин. Скорость спекания связана со скоростью передвижения тележек (0,5–7,0 м/мин) и рабочей длиной агломашины (15–50 м).

Агломерирующий обжиг с полным или частичным удалением серы в газовую фазу используют в металлургии свинца, цинка, при переработке сульфидных медных и медно-никелевых руд и концентратов.

При агломерации сульфиды металлов, присутствующие в шихте, подвергаются действию горячих газов зажигательного горна и затем кислорода просасываемого воздуха.

Некоторые из сульфидов (пирит, халькопирит, пирротин, пентландит, ковеллин, миллерит) при температурах обжига-спекания диссоциируют

Me_nS_n+1 = nMeS + ½ S₂.

Выделяющиеся пары серы окисляются до SО₂. Между сульфидами металлов и кислородом происходят экзотермические реакции, приводящие к окислению сульфидов:

MeS + 2O₂ = МеSO₄;

MeS + 1,5O₂ = MeO + SO₂;

MeS + O₂ = Me + SO₂.

Устойчивое существование основных компонентов обжигаемой шихты – сульфидов, сульфатов и оксидов металлов – определяется их упругостью диссоциации, составом газовой фазы, температурой, твердофазными взаимодействиями их друг с другом. В агломерате практически отсутствуют сульфаты, в небольших количествах может быть металлическая фаза (типично для свинцового агломерата).

При агломерации свинцовых концентратов возможно образование металлического свинца:

PbS + O₂ = Рb + SO₂;

PbS + 2РbО = 3Рb + SO₂;

РbО + Fe = Pb + FeO.

Полученный свинец в той или иной степени вновь окисляется до глета кислородом воздуха и в результате взаимодействия с другими оксидами или сульфатом, например:

Pb + PbSO₄ ↔2РbО + SO₂.

Оксид Pb (II) лишь частично сохраняется в агломерате в свободном виде, значительная часть его взаимодействует с SiO₂, образуя легкоплавкие силикаты: 2РbО·SiO₂ (t_пл=1013 К), 3РbО·2SiO₂ (t_пл=963 К), РbО·SiO₂ (t_пл = 1034 К). Они смачивают твердые зерна шихты и спекают их. Кроме того, сокращается улетучивание свинца (температура кипения глета 1745 К).

В сульфидных концентратах цветных металлов железо может присутствовать в виде пирита (FeS₂) или пирротина (Fe_nS_n+1). При нагревании пирит диссоциирует:

FeS₂ = FeS + ½ S₂.

В условиях агломерирующего обжига диссоциация пирита протекает быстро и практически полностью. Благодаря диссоциации и способности растрескиваться пирит является легко обжигающимся сульфидом.

Конечные реакции обжига сульфидов железа могут быть представлены реакциями:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fе₂O₃ + 8SO₂;

3FeS + 5O₂ = Fе₃O₄ + 3SO₂;

16Fе₂O₃ + FeS₂ = 11Fе₃O₄ + 2SO₂;

10Fе₂O₃+ FeS = 7Fe₃O₄ + SO₂;

3Fе₃O₄ + FeS + 5SiO₂ = 5 (2FeO · SiO₂) + SO₂.

При температурах свыше 920 К оксид железа (III) связывает в ферриты оксиды Fe(II), Сu, Zn, Pb, Ni, Co, Cd, образуя соединения nМеО·mFе₂О₃. Последние способствуют спеканию агломерата и уменьшают, в частности, улетучивание свинца, кадмия в газовую фазу.