Доменное производство

   История промышленного окускования железорудных материалов берет своё начало с первого коммерчески успешного проекта «Грёндаль» производства брикетов из мелкой магнетитовой железной руды, реализованного в 1899 г. в Финляндии. Брикеты получали на оборудовании, применявшемся в то время для производства кирпича. Они имели форму и размер обычного строительного кирпича и производились из увлажнённой руды без использования связующего. Сырые брикеты подвергались упрочняющему обжигу в туннельной печи с температурой в зоне горения 1400 °C. Несмотря на необычные для доменных печей размеры, эти брикеты успешно применялись в доменной плавке на заводе в Питкаранта. В процессе окислительного обжига из руды удалялась сера и уменьшалось содержание железа, которое в брикетах составляло 90% от исходного в руде. Пористые брикеты имели высокую восстановимость, и их применение привело к сокращению расхода кокса и повышению производительности печей. Успех проекта способствовал его быстрому распространению, и в 1913 г. работали уже 38 подобных линий брикетирования (16 в Швеции, 12 в Англии, 6 в США).

   В начале 1920-х годов для окускования рудной мелочи и отходов стали применять и другие технологии брикетирования, включая производство безобжиговых брикетов. Будучи единственным видом окускованного сырья в это время, брикеты находили широкое применение в доменном производстве. Так, например, их доля в шихте доменных печей (ДП) завода Вест в Кальбе достигала 30–40%, а в низкошахтной ДП завода Макс Хютте (Германия) – 100%. Эти брикеты изготавливали из железорудной мелочи, известняка и коксовой пыли. В ДП Кушвинского завода доля брикетов в шихте достигала 25%. Брикеты в количестве до 100 тыс. т в год применялись в ДП Керченского и Таганрогского металлургических заводов. Однако с появлением и развитием высокопроизводительной агломерации железных руд и концентратов методом спекания этот метод не смог конкурировать с этой новой технологией из-за низкой производительности применяемого оборудования.

   В настоящее время окускование техногенных и природных металлосодержащих материалов методом брикетирования с получением безобжиговых брикетов на минеральной или органической связке вновь находит все более широкое применение, в том числе и в доменном производстве. Применяются три технологии брикетирования прессование в валках, вибропрессование и жёсткая вакуумная экструзия. Применение жесткой вакуумной экструзии для окускования мелкой руды и дисперсных металлургических отходов в начале ХХI в. освоила компания J.C.Steele & Sons,Inc. (США), основанная в 1889 г. Эта современная технология заключается в продавливании под давлением 3,0–3,5 МПа через отверстия в фильере влажной (12–16%) гомогенной смеси брикетируемых материалов со связующим под вакуумом, создаваемым в рабочей камере экструдера вакуумным насосом. Производительность промышленных экструдеров фирмы J.C.Steele & Sons, Inc.составляет 15–115 т/ч. В настоящее время эти экструдеры и технология применяются для производства кирпичей более чем в 60 странах мира.

   Применение шнековой экструзии для окускования руды и металлургических отходов началось в 1990-х годах, когда была пущена линия брикетирования (20 т/ч) шламов и колошниковой пыли на металлургическом заводе фирмы Bethlehem Steel в США. Получаемые брикеты проплавляли в доменных печах. Линия проработала до закрытия завода в 1996 г. В 1993 г. в Колумбии (горнорудная компания BHP Billiton) была введена в эксплуатацию линия для производства экструзионных брикетов годовой производительностью 700 тыс. т. Брикеты производятся из пылей аспирации производства ферроникеля и мелочи латеритовой никелевой руды. Глинистая пустая порода руды позволяет получать брикеты без применения связующего, что минимизирует эксплуатационные затраты на 1 т брикетов. В 2009 г. состоялся пуск аналогичной фабрики брикетирования уже в Бразилии (компания Vale).

   В апреле 2011 г. на металлургическом заводе компании Suraj Products Ltd в г. Руркела (Индия) начала работать промышленная линия по производству брикетов для доменной печи из металлургических отходов (шламы и колошниковая пыль) и железорудной мелочи по технологии жёсткой вакуумной экструзии. Производительность этой линии составляет 20 т/ч или в среднем 6000 т в месяц при двухсменной работе и 20 рабочих днях в месяц, что полностью обеспечивает потребность доменного процесса в окускованной шихте. Экструзионные брикеты на цементной связке, имеющие оптимальные и регулируемые размеры и управляемый химический состав, являются шихтовым материалом нового поколения. В настоящее время этот материал получил официальное название БРЭКС (BREX), зарегистрированное в ФИПС. Металлургические свойства брэксов полностью удовлетворяют требованиям к шихтовым материалам доменного производства, что позволяет успешно применять их в доменной плавке, а также в ферросплавных и сталеплавильных печах.

   Первый промышленный эксперимент по применению в ДП брэксов в качестве основного компонента доменной шихты успешно перерос в обычную практику работы печи. Более 2,5 лет небольшая ДП предприятия Suraj Products Ltd в г. Руркела (Индия) работала на шихте, состоящей из брэксов (80%) и богатой железной руды фракции 15–50 мм (20%), на сегодня уже около года эта ДП работает на моношихте из брэксов. На этом предприятии брэксы на цементной связке производятся из дисперсных железосодержащих отходов (сталеплавильные шламы и пыль – 50%, доменный шлам и колошниковая пыль – 20%, мелочь (0–5мм) железной руды – 30%, портландцемент 6% и бентонит до 0,5%). Успех проекта стал возможным, в том числе, вследствие всестороннего изучения металлургических свойств брэксов и совершенствования режимов их использования в качестве шихтовых компонентов, выполненного Куруновым И.Ф и Бижановым А.М. совместно с коллегами в Индии. Специалисты Suraj Products Ltd следовали рекомендациям относительно изготовления и использования брэксов в шихте ДП, основанным как на результатах упомянутых исследований, так и на итогах анализа работы печи во время посещений металлургического завода в Индии.

   Работа ДП на шихте из 100% брикетов, безусловно, знаковое событие в доменном производстве, но это в очередной раз лишь подтверждает, что зачастую «новое» является хорошо забытым «старым». Новый виток развития технологии производства окускованного сырья для ДП путём брикетирования и технологии доменной плавки с применением брикетов обусловлен появлением высокопроизводительной и экономичной техники брикетирования по способу жёсткой вакуумной экструзии. В настоящее время, как уже говорилось выше, годовая производительность линий брикетирования путём экструзии достигает 700 тыс. т, что соответствует производительности агломерационной машины площадью спекания 75–100 м2.

Основные преимущества технологии окускования способом жесткой вакуумной экструзии следующие:

• экологическая чистота при производстве брэксов, т.е. отсутствие газообразных, твёрдых и жидких выбросов;
• полное отсутствие каких-либо отходов;
• отсутствие постоянного технологического цикла возврата;
• идеально отвечающие требованиям доменной технологии геометрические размеры и форма получаемых брэксов и возможность оптимизации этих размеров в процессе производства;
• возможность производства самовосстанавливающихся брэксов с использованием дешевых
• углеродсодержащих дисперсных природных или техногенных материалов неорганического и органического происхождения;
• высокая прочность «сырых» брэксов на выходе из экструдера, позволяющая осуществлять их транспортировку и штабелирование с использованием стандартного оборудования.

 Для стран с резко континентальным климатом недостатками обсуждаемой технологии окускования способом жёсткой вакуумной экструзии являются:

• необходимость осуществлять все технологические операции (шихтовка, смешивание, экструзия, упрочняющее вылёживание) в закрытом помещении и при положительной температуре (выше +5 °С);
• необходимость иметь закрытый склад для упрочняющего вылёживания брэксов (площадь 1,5–1,75 м2/1000 т брэксов в год).

   Успешная практика применения брэксов в качестве основного, а затем и единственного компонента доменной шихты обусловлена их физическими и физико-химическими характеристиками, которые удовлетворяют требованиям к сырьевым материалам доменной плавки на всем жизненном цикле брэксов от момента их выхода из фильеры экструдера до образованияиз них чугуна в ДП. Действительно, на пути от экструдера до штабеля упрочняющего вылеживания, а затем до штабеля готовых брэксов они не образуют мелочи. Незначительное количество мелочи образуется только при заборе брэксов автопогрузчиками из штабелей. Это позволяет исключить операцию отсева мелочи перед загрузкой брэксов в печь без ущерба для ДП. Скипы с брэксами не содержат мелочи, и их ссыпание из бункера в скип, а из скипа в загрузочное устройство ДП, как и другие операции по перегрузке брэксов, не сопровождается образованием пыли.В ДП при опускании с колошника брэксы не разрушаются и сохраняют свою целостностьвплоть до размягчения и расплавления в зоне когезии. При проведении в восстановительной атмосфере многочисленных высокотемпературных испытаний целых брэксов различного компонентного состава результаты, подтверждающие это, воспроизводились на 100%. Все брэксы при нагреве со скоростью 500 °С/ч до температуры 1150 °С и получасовой выдержке при этой температуре с последующим охлаждением в инертной атмосфере сохранили свою форму.

   Таким образом, брэксы, как новый шихтовый материал, благодаря их перечисленным выше характеристикам и свойствам имеют широкую перспективу применения в металлургии и в первую очередь в доменном производстве.Три года эксплуатации промышленной линии экструзии продемонстрировали простоту ее использования и обслуживания (при соблюдении правил эксплуатации), функциональность и высокую надёжность. Закупки оригинальных запасных частей за это время не превысили 30 тыс. долл. США. Специалисты Suraj Products Ltd при содействии инженеров J.C.Steele & Sons Inc. освоили производство фильер для экструдера. В настоящее время ресурс одной фильеры соответствует производству 3 тыс. т брэксов. Себестоимость фильеры, изготовленной в заводских условиях, не превышает 50 долл. США. Инспекции J.C.Steele & Sons Inc. не выявили серьёзного износа или повреждения элементов основного оборудования. Все компоненты линии, включая питатель равномерной подачи, глиномялки и собственно экструдер, находятся в работоспособном состоянии, обеспечивающем производство брэксов в объёме, требуемом для работы ДП на 100% брэксов.