Брикеты (например, HBI, кондиции руды): ключевая роль в процессах производства стали

Определение и основные концепции

Брикеты в сталелитейной промышленности — это компактные, твердые формы мелких или порошкообразных сырьевых материалов, в основном включающие горячебрикетированный железо (ГБЖ), напрямую восстановленный железо (ДРИ) и мелочь рудных минералов. Эти брикеты производятся путём агломерации мелких металлических или минеральных частиц в плотные, управляемые единицы, что облегчает их транспортировку, обращение и подачу в downstream-процессы.

Основная цель брикетирования — преобразование рыхлых, мелких материалов в стабильную, высокоплотную форму, которая минимизирует пыль, снижает опасность при обращении и повышает эффективность процесса. Они служат промежуточным продуктом, обеспечивающим стабильное качество сырья для доменных печей, электропечей или процессов прямого восстановления.

В общем цепочке производства стали брикеты занимают важное место на этапе подготовки сырья. Обычно они производятся после обогащения или этапов восстановления и затем подаются в основные плавильные установки, такие как доменные печи или электропечи, как часть входного сырья. Такое преобразование улучшает управление потоком материалов, снижает выбросы в окружающую среду и оптимизирует использование ресурсов.

Техническое проектирование и эксплуатация

Основные технологии

Технология брикетирования основана на принципах механической уплотнения, при которых мелкие частицы подвергаются высоким давлениям для формирования плотных, связных единиц. Основная инженерия включает применение гидравлических или механических пресса, которые прилагают достаточную силу для деформации частиц и устранения пустот, что приводит к образованию цельного брикета.

Ключевые технологические компоненты включают:

• Системы подачи: Подача исходных мелкодисперсных или порошкообразных материалов в пресс — часто с помощью винтовых питателей или вибрационных бункеров.
• Пресс для брикетов: Гидравлические или механические пресса, оснащённые формами или матрицами, формирующими и прессующими материал.
• Системы связующих веществ: Иногда добавляют небольшие количества связующих веществ (например, патоку, каменноугольный деготь или органические связующие) для повышения связности.
• Системы охлаждения и обращения: Послепресовочные камеры охлаждения или конвейеры, обеспечивающие стабилизацию и транспортировку брикетов.

Основные механизмы работы включают применение компрессионной силы через гидравлические цилиндры или механические штока, которые деформируют частицы и способствуют их сцеплению. Поток материала направляется в формы, где под действием давления материал закрепляется в брикеты заданных размеров.

Параметры процесса

Критические параметры процесса включают:

• Давление: Обычно в диапазоне от 100 до 300 МПа, в зависимости от типа материала и необходимой плотности.
• Температура: Некоторые процессы работают при повышенных температурах (до 300°C) для улучшения пластичности и связывания.
• Добавление связующих веществ: Обычно 0,5-3% по массе, влияет на прочность и редуцируемость.
• Время выдержки: Продолжительность сжатия, обычно от 10 до 30 секунд, влияет на плотность и механическую стабильность.
• Влажность: Поддерживается на низком уровне (менее 2%) для предотвращения образования пара и обеспечения равномерного уплотнения.

Эти параметры влияют на плотность, прочность, редуцируемость и пористость брикета. Например, повышение давления увеличивает плотность и механическую прочность, но может увеличить энергозатраты.

Системы контроля используют датчики и автоматизацию для мониторинга параметров, таких как давление, температура и влажность, что позволяет в режиме реального времени вносить корректировки. Системы сбора данных облегчают оптимизацию процесса и обеспечивают качество продукции.

Конфигурация оборудования

Типичные установки для брикетирования включают:

• Подающие устройства: Вибрационные питатели или винтовые транспортеры, подающие исходную мелочь в пресс.
• Пресс для брикетов: Гидравлические или механические пресса с размерами форм от 50 мм до 150 мм диаметром, в зависимости от мощности.
• Охлаждение и обращение: Камеры охлаждения или конвейеры, стабилизирующие брикеты перед укладкой или складированием.
• Дополнительные системы: Системы пылеудаления, установки для смешивания связующих и станции контроля качества.

Конструктивные вариации включают высокопроизводительные гидравлические пресса для крупномасштабных предприятий и модульные системы для гибкости. Со временем оборудование развивается в сторону большей автоматизации, повышения энергоэффективности и улучшенного контроля параметров процесса.

Вспомогательные системы, такие как сбор пыли и контроль выбросов, являются неотъемлемой частью для поддержания экологических стандартов и обеспечения безопасности операторов.

Химия и металлургия процесса

Химические реакции

Во время брикетирования химические реакции в основном минимальны, так как процесс преимущественно включает физическую уплотнение. Однако при использовании связующих веществ или добавок могут происходить незначительные химические взаимодействия, например:

• Полимеризация связующих: Органические связующие при нагревании могут переходить в полимерное состояние или кросс-связываться.
• Окисление: Взаимодействие с воздухом может вызывать поверхностное окисление металлических частиц с образованием оксидов железа.
• Реакции восстановления: В некоторых случаях остаточные оксиды могут частично восстанавливаться при последующем нагревании в печи.

Термодинамические принципы показывают, что приложенное давление и температура влияют на кинетические параметры реакций, однако в большинстве процессов брикетирования основное внимание уделяется физическим связям, а не химическим преобразованиям.

Побочные продукты реакций обычно ограничиваются поверхностными оксидами или малыми газами распада связующих веществ, которые контролируются системами выбросов.

Металлургические преобразования

Основные металлургические изменения во время брикетирования — это уплотнение металлических частиц, что повышает механическую прочность и снижает пористость. Включают развитие микроструктуры:

• Деформация частиц: Металлические частицы проходят пластическую деформацию под давлением, что ведет к металлургическому сцеплению.
• Образование связей: Механическое зацепление и диффузионное создает хорошую сцепленность на границах частиц.
• Остаточные напряжения: Сжатие вызывает внутренние напряжения, которые могут влиять на последующие термические обработки.

Эти преобразования влияют на такие свойства, как редуцируемость, поведение при плавке и механическая прочность. Правильное брикетирование обеспечивает устойчивость брикетов к повреждению при обращении и подаче в печи без разрушения.

Взаимодействия материалов

Взаимодействия между металлом, шлаком, огнеупорными материалами и атмосферой критичны для стабильности процесса. Например:

• Взаимодействия металл-шлак: Во время нагрева некоторые металлические компоненты могут реагировать с компонентами шлака, что влияет на чистоту.
• Износ огнеупорных материалов: Высокотемпературные брикеты могут вызывать деградацию огнеупорных материалов, если дизайн не учитывает это.
• Атмосферные эффекты: Окисление или карбурация могут происходить при воздействии реактивных газов.

Контроль этих взаимодействий включает подбор подходящих материалов, оптимизацию атмосферных условий (например, инертная или восстановительная среда) и нанесение защитных покрытий или добавок для минимизации загрязнений и деградации.

Течётность процесса и интеграция

Входные материалы

Входные материалы включают:

• Мелочь руд: Тонко измельченная железная руда с размером частиц обычно менее 0,1 мм, содержащая оксиды железа.
• Мелочь или концентраты: Концентраты высокого качества с определенным химическим составом.
• ГБЖ или ДРИ: Непосредственно восстановленное железо в порошкообразной или гранулированной форме.
• Связующие вещества: Органические или неорганические вещества, добавляемые для повышения сцепления.

Подготовка материалов включает дробление, измельчение и обогащение для соответствия требованиям качества. Обращение требует подавления пыли и контроля влажности для предотвращения проблем с агломерацией.

Качество входного сырья непосредственно влияет на прочность брикетов, их редуцируемость и общую эффективность процесса. Постоянство химического состава и распределения размеров частиц важно для получения однородных свойств брикетов.

Последовательность процесса

Типичная последовательность операций включает:

• Подача материала: Транспортировка мелочи на станцию смешивания с связующими веществами.
• Добавление связующих: Смешивание с связующими для повышения сцепления.
• Предварительное уплотнение: Необязательный шаг для формирования зеленых брикетов при меньшем давлении.
• Финальное прессование: Применение высокого давления в прессах для получения плотных брикетов.
• Охлаждение и стабилизация: Оставление брикетов для охлаждения и достижения механической стабильности.
• Хранение и обращение: Укладка или упаковка для транспортировки в сталеплавильное производство.

Время цикла варьируется от 10 до 30 секунд на брикет, а производительность зависит от мощности установки. Непрерывная работа обеспечивает устойчивый поток сырья к downstream-процессам.

Точки интеграции

Брикетирование интегрируется с upstream-операциями, такими как обогащение руды, пеллетизация или прямое восстановление. В downstream брикеты подаются в доменные печи, электропечи или вращающиеся печи.

Поток материалов осуществляется с помощью конвейерных лент, бункеров и стеллажей, с промежуточными буферными системами для учета колебаний. Обмен информацией включает данные систем управления процессом, отчёты о качестве и системы учета запасов, обеспечивающие синхронизацию работы всей цепочки производства стали.

Эксплуатационная эффективность и управление

Параметр эффективности	Типичный диапазон	Факторы влияния	Методы контроля
Плотность брикета	5.0 - 6.5 г/см³	Давление, влажность, содержание связующего	Автоматизированное управление давлением, датчики влажности
Механическая прочность	150 - 300Н на брикет	Качество связующего, сила прессования	Испытания на прочность, корректировка процесса
Пористость	10 - 20%	Размер частиц материала, уплотнение	Оптимизация параметров процесса
Производительность	1000 - 5000 брикетов/час	Мощность оборудования, цикл	Обслуживание оборудования, автоматизация процесса

Эксплуатационные параметры прямо влияют на качество продукции, редуцируемость, поведение при плавке и обращении. Мониторинг в реальном времени с помощью датчиков и систем управления позволяет быстро вносить коррективы для поддержания оптимальных условий.

Оптимизация процесса включает статистический контроль процессов (SPC), анализ данных и обратную связь для повышения эффективности, снижения отходов и улучшения качества брикетов.

Оборудование и техническое обслуживание

Основные компоненты

Ключевое оборудование включает:

• Подающие системы: Вибрационные питатели или винтовые транспортеры из износостойких сплавов.
• Пресса для брикетов: Гидравлические или механические пресса с матрицами из высокопрочных сталей, способные создавать давление до 300 МПа.
• Камеры охлаждения: Модульные системы с огнеупорным покрытием для отвода тепла.
• Смесители связующих: Агитаторы или блендеры для равномерного распределения связующих веществ.
• Системы пылеудаления: Циклоны или рукавные фильтры для контроля выбросов твердых частиц.

Компоненты обычно изготавливаются из высокопрочных, износостойких материалов, таких как сплавные стали, керамика или композиты. Важными износными деталями являются формы, уплотнения штоков и гидромоторы, срок службы которых составляет от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от условий эксплуатации.

Требования к техническому обслуживанию

Регулярное обслуживание включает:

• Осмотр и смазка: Регулярные проверки движущихся частей, гидравлических систем и электрических компонентов.
• Калибровка: Обеспечение точности датчиков давления, температуры и систем управления.
• Очистка: Удаление пыли и загрязнений для предотвращения засоров и износа оборудования.
• Замена изнашиваемых деталей: Форм, уплотнений и гидравлических шлангов по мере износа и использования.

Предиктивное обслуживание использует системы мониторинга состояния, такие как анализ вибраций, тепловая съемка и диагностика гидравлического давления, для прогнозирования отказов и своевременного планирования ремонтов.

Крупные ремонты или восстановительные работы могут проводиться каждые 3–5 лет, включают разборку, ремонт и замену компонентов.

Производственные трудности

Распространенные проблемы включают:

• Износ или деформация формы: Вызвано высокими давлениями и абразивными материалами.
• Гидравлические утечки: Из-за изнашивания уплотнений.
• Несогласованное качество брикетов: Вследствие неравномерной подачи или колебаний давления.
• Засоры или заедания: Из-за накопления материала или проблем с связующими веществами.

Диагностика включает систематические проверки, анализ данных процесса и настройку параметров. В экстренных случаях безопасное отключение пресса, сброс давления и осмотр на предмет засоров или поломок компонентов.

Качество продукции и дефекты

Качество и характеристики

Основные параметры включают:

• Плотность: Влияет на редуцируемость и поведение при плавке; определяется методом смещения или гамма-спектроскопии.
• Прочность: Механическая устойчивость при обращении; оценивается с помощью компрессионных испытаний.
• Пористость: Влияет на проницаемость и редукцию; измеряется через изображение или порометрию с ртутью.
• Химический состав: Обеспечивает соответствие техническим требованиям; проверяется с помощью спектроскопии.

Контроль качества включает отбора проб, лабораторные испытания и методы неразрушающего контроля. Стандарты отрасли, такие как ASTM или ISO, определяют классы и критерии приемки.

Типичные дефекты

К распространённым дефектам относятся:

• Трещины или расколы: Вызваны неравномерным давлением или недостатком связующего.
• Поверхностное окисление: Вызвано воздействием воздуха при охлаждении.
• Низкая плотность или пористость: Из-за недостаточного сжатия или влажности.
• Разделение связующего: Ведет к слабым местам или к разрушению.

Механизмы формирования дефектов связаны с неправильным управлением процессом, несоответствием материалов или неисправностями оборудования. Профилактика включает оптимизацию параметров процесса, контроль качества материалов и техническое обслуживание оборудования.

Восстановление дефектных брикетов предполагает повторную переработку, коррекцию параметров или дополнительные проверки качества.

Непрерывное совершенствование

Оптимизация процесса основана на статистическом контроле процессов (SPC) для мониторинга тенденций качества и выявления отклонений. Анализ причин и методы Шесть сигм помогают устранить вариабельность.

Успешные кейсы демонстрируют снижение использования связующих веществ при сохранении прочности и увеличение производительности без ущерба качеству, что ведет к снижению затрат и повысению стабильности продукции.

Энергия и ресурсные аспекты

Энергопотребление

Брикетирование потребляет энергию в основном через гидравлические или механические пресса, обычно около 0,5-1,0 кВтч на тонну брикетов. Вспомогательные системы, такие как конвейеры и системы охлаждения, тоже требуют энергии.

Меры повышения энергоэффективности включают:

• Использование энергоэффективных гидравлических насосов.
• Восстановление тепла от процессов охлаждения.
• Оптимизация циклов для снижения потребления энергии в простое.

Передовые технологии предполагают интеграцию возобновляемых источников энергии и современных приводных систем для снижения углеродного следа.

Использование ресурсов

Потребление сырья зависит от качества исходного материала и выхода процесса. Использование воды минимально, но необходимо для подавления пыли и охлаждения. Перерабатываемые связующие и отходы брикетов могут быть повторно использованы или переработаны.

Стратегии ресурсосбережения включают:

• Переработку мелочи и пыли через брикетирование.
• Внедрение замкнутых систем водоснабжения.
• Использование альтернативных связующих, менее вредных для окружающей среды.

Методы уменьшения отходов включают сбор пыли, переработку шлака и оптимизацию процесса для снижения потерь материалов.

Влияние на окружающую среду

Брикетирование снижает выбросы пыли и разлив, способствует более чистым работам. Выбросы газов, таких как CO₂, NOₓ и SOₓ, регулируются через скрубберы, фильтры и контролируемые атмосферы.

Твердые отходы включают пыль и шлак, которые могут быть переработаны в строительные материалы или использованы в производстве цемента. Очистка сточных вод обеспечивает соответствие экологическим нормативам.

Технологии экологического контроля необходимы для соблюдения нормативных требований и устойчивой работы, включая постоянный мониторинг и отчетность.