Aglomeración (metalurgia)

Aglomeración (del lat.  agglomero - adjuntar, acumular) - un método de aglomeración  térmica de minerales limosos finos , concentrados y desechos que contienen metales mediante la sinterización. La aglomeración más utilizada es para la preparación de materias primas de mineral de hierro para la producción metalúrgica de arrabio [1] [2] . Los procesos que ocurren en la capa de carga sinterizada durante la aglomeración son, en muchos aspectos, similares a los procesos de sinterización de partículas en la producción de cerámica y en los procesos de pulvimetalurgia [3] .

La aglomeración se utiliza en el tostado de minerales y concentrados de hierro, así como minerales y concentrados de metales no ferrosos [4] . El sinterizado de mineral de hierro, junto con los gránulos , se utiliza en la producción de arrabio como principal materia prima [5] .

Historia

La aglomeración como método de aglomeración fue descubierta por casualidad en 1887 por los investigadores ingleses F. Geberlein y T. Hatington durante experimentos sobre la desulfuración del tostado de minerales de metales no ferrosos en una parrilla [6] . El tostado se llevó a cabo de la siguiente manera. Se vertió una capa de coque o carbón en llamas sobre la parrilla , sobre la cual se colocó una capa de mineral de sulfuro. Desde abajo, se suministró aire desde el soplador a través de la rejilla. Atravesando la capa de combustible, el aire proporcionaba su intensa combustión. Los productos de combustión calientes, moviéndose más, calentaron la capa de mineral ubicada arriba. A temperaturas de 400 a 500 °C, los sulfuros se encendieron. Como resultado de su combustión, se liberaba calor adicional, que era transferido por un flujo de gas a la capa de mineral ubicada aún más arriba. Por lo tanto, la zona de combustión de sulfuro se movió en la dirección del movimiento del gas, pasando secuencialmente a través de toda la capa de mineral ubicada en la parrilla. El tostado del mineral se realizó sin suministro de calor desde el exterior, únicamente debido al calor liberado durante la combustión de los sulfuros. El combustible de "ignición" (trozos de coque o carbón al rojo vivo), ubicado al principio en la parrilla, servía solo para encender los sulfuros del mineral de la capa más baja [7] .

En el curso de la investigación, resultó que durante el tostado de minerales con un alto contenido de azufre , se liberaba tanto calor y la temperatura subía a tal nivel que los pedazos de mineral quemado se fundían entre sí. Después del final del proceso, la capa de mineral se convirtió en una masa porosa cristalizada, sinterizada. Los trozos de torta triturada, que se denominaron "aglomerados", resultaron ser bastante adecuados para la fundición de minas en términos de sus propiedades físicas y químicas [7] .

La simplicidad comparativa de la tecnología y la alta eficiencia térmica del tostado oxidativo en capas de minerales de sulfuro atrajeron la atención de los especialistas en metalurgia ferrosa . Surgió la idea de desarrollar un método térmico de aglomeración de materiales de mineral de hierro basado en una tecnología similar. Se suponía que la ausencia de azufre como fuente de calor en los minerales de hierro se compensaba añadiendo pequeñas partículas de combustible carbonoso al mineral: carbón o coque. El aglomerado de mineral de hierro que utiliza esta tecnología en el laboratorio se obtuvo por primera vez en Alemania en 1902-1905. [ocho]

La primera instalación industrial para la producción de sinterizado fue la caldera Geberlein, un recipiente de acero cónico, a cierta distancia de la parte inferior de la cual se fijó una rejilla, y en la parte inferior había una tubería de derivación para suministrar la explosión del soplador. El proceso se distinguía por el hecho de que la fuente de calor para el ablandamiento y la fusión parcial de los granos de mineral era la quema de partículas de carbón o coque . Una fina capa de carga de aglomeración, una mezcla de fino mineral húmedo con partículas de coque, se cubrió con una fina capa de piezas de combustible sólido al rojo vivo en la parrilla. Después de eso, se encendió la explosión y el gas calentado en la capa de combustible que se quemaba en la parrilla se elevó, encendiendo y quemando el combustible contenido en la carga en la capa inferior del material sinterizado. Cuando la zona de combustión alcanzó la superficie, se cargó la siguiente capa de la carga de sinterizado. Así, el proceso continuó hasta llenar todo el recipiente con aglomerado terminado (una caldera con una capacidad de 15 toneladas se llenó en 12 horas). Después de eso, se apagó el ventilador, se volcó la caldera y el bloque de aglomerado resultante se rompió manualmente en pedazos más pequeños [9] .

En Rusia, las primeras 6 calderas Geberlein se pusieron en funcionamiento en 1906 en la planta de Taganrog , y en 1914 otras 5 cubas en la Planta Metalúrgica de Dnieper . Al mismo tiempo, en los mismos años, se trabajó para crear plantas de sinterización alternativas, desprovistas de las desventajas de las calderas Geberlein: baja productividad, trabajo físico duro de los trabajadores. Se han desarrollado diseños de cubetas de sinterización con características tecnológicas significativamente mejores. En 1914-1918. en la planta de Dneprovsky, se construyó una planta de sinterización con tazones rectangulares (estacionarios) del sistema Grinewalt, y en 1925 en la mina Goroblagodatsky  , una fábrica con 28 tazones redondos (diámetro 2,3 m) de la empresa sueca AIB. En principio, el proceso de aglomeración en los tazones se desarrollaba de la misma manera que en las calderas Geberlein. La diferencia fue que el grosor de la capa sinterizada se redujo a 250-300 mm, y el modo de soplado se reemplazó por un modo de vacío: el aire se absorbió en la capa desde arriba debido a la rarefacción creada por los ventiladores debajo de la rejilla. Por lo tanto, la ignición (ignición de partículas de combustible sólido de la carga) también se llevó a cabo desde arriba. En cubetas rectangulares, el encendido se realizaba mediante hornos incendiarios móviles con quemadores de gas [10] .

Dado que cada una de las plantas de sinterización mencionadas presentaba uno u otro inconveniente importante (uno de los más graves es la baja productividad), ni los hornos de cuba ni los tubulares fueron muy utilizados en metalurgia. Dos ingenieros estadounidenses, A. Dwight y R. Lloyd, hicieron un gran avance en el campo de la aglomeración de minerales, quienes en 1906 desarrollaron un diseño y en 1911 pusieron en funcionamiento la primera máquina de sinterización de transportador continuo . El proceso de sinterización de minerales se llevó a cabo de acuerdo con el mismo principio que en las calderas Geberlein o en tazones: el calor necesario para derretir los granos de mineral se liberaba durante la combustión en capas de partículas de combustible sólido como resultado de la succión de aire a través de la carga depositada en la parrilla. . El éxito en la rápida y amplia distribución de la sinterización como método principal de aglomeración de materiales de mineral de hierro estaba predeterminado por el exitoso diseño de la máquina de sinterización. El área de sinterización de la primera máquina de sinterización de Dwight-Lloyd era de 8,1 m 2 (con un ancho de banda de 1,05 y una longitud de 7,7 m); productividad diaria - 140 toneladas de aglomerado durante la sinterización del polvo de combustión [11] .

Durante la década de 1990, el tamaño de las máquinas de sinterización aumentó enormemente: el área de sinterización aumentó a 600 m 2 o más: la producción diaria alcanzó las 15.000-18.000 toneladas de sinterización. Los grados de los aceros con los que se fabrican varias piezas de las máquinas han cambiado, pero la disposición fundamental de las máquinas no ha cambiado [11] .

Papel en los procesos de metalurgia ferrosa

La aglomeración de concentrado de mineral de hierro (a veces mezclado con mineral, desechos de la producción metalúrgica) es la operación final en el complejo de medidas para preparar minerales de hierro para la fundición en altos hornos. El objetivo principal de esta operación es convertir el concentrado de mineral fino en piezas más grandes - aglomerado, cuyo uso en la fundición en alto horno asegura la formación de una capa de carga de buena permeabilidad al gas, que es una condición indispensable para la operación de alto rendimiento de un alto horno.

La fundición en alto horno de alta intensidad es posible con una gran cantidad de coque ardiendo en la solera de un alto horno, lo que, por un lado, conduce a la liberación de una gran cantidad de calor y, por otro lado, a la formación de espacio libre en la parte inferior del horno (debido a la gasificación del coque sólido), donde se baja la columna de carga del alto horno. Se necesita una buena permeabilidad a los gases de la carga para que un gran volumen de gases formados durante la combustión del coque tenga tiempo de pasar a través de los canales entre grumos de la capa con caídas de presión de gas relativamente pequeñas entre el hogar y la parte superior (150–200 kPa a una altura de la capa de carga de 20–25 m) [8] .

Tecnología

La composición de la carga

El esquema general del proceso de sinterización por succión incluye los siguientes pasos.

Una carga típica destinada a la producción de sinterización de mineral de hierro consta de los siguientes componentes:

1. material fino de mineral de hierro, generalmente un concentrado;
2. combustible triturado - coque ( fracción 0-3 mm), contenido en la carga 4-6%;
3. piedra caliza triturada (fracción 0-3 mm), contenido de hasta 8-10%;
4. retorno - aglomerado deficiente de la sinterización anterior (fracción 0-8 mm), contenido 25-30%;
5. aditivos que contienen hierro: polvo de combustión de altos hornos, incrustaciones de talleres de laminación, cenizas de pirita de producción de ácido sulfúrico, etc. (fracción 0-3 mm), contenido de hasta 5%.

Los componentes dosificados en una determinada proporción se mezclan, humedecen (para mejorar la granulación ), y después de granular sin compactar, se cargan en una rejilla con una capa de 300-400 mm. Luego encienda el supercargador, un ventilador que funciona para la succión. Se crea una rarefacción debajo de la rejilla, por lo que primero se succiona una corriente de gases calientes del horno hacia la capa, lo que garantiza el "encendido" de la carga, es decir, la capa superficial se calienta a aproximadamente 1200 ° C (dentro de 1.5– 2,0 minutos). El aire atmosférico que luego ingresa al lecho durante el resto del proceso asegura una combustión intensiva de las partículas de coque de carga. En la zona de temperaturas máximas (1400–1450°C), los granos de mineral se derriten parcialmente, se pegan y luego, durante la cristalización posterior, se forma una estructura porosa: sinterización de aglomeración.

Modo Zona

En cada momento, ocurre la ignición de partículas de combustible calentadas a 700–800 °C en la capa de carga adyacente al límite inferior de la zona de combustión. Al mismo tiempo, la combustión de partículas de combustible termina en el límite superior de la zona de combustión. Como resultado, la zona de combustión, combinada con la zona de fusión, se mueve continuamente hacia abajo, en la dirección del flujo de gas, como si "penetrara" en la capa de la carga inicial y dejara atrás una zona de enfriamiento del sinterizado.

La zona determinante del proceso es el horizonte con la temperatura máxima, la zona de fusión, la zona de formación de sinterización. Por encima de esta zona hay una capa de torta de aglomeración porosa. En la zona de calentamiento intenso situada debajo, el material sinterizado se calienta rápidamente a una velocidad de hasta 800 grados/min y tiene lugar el mismo enfriamiento rápido de los productos de combustión. Al salir de esta zona, el gas con una temperatura de 300 a 400 °C ingresa a la carga húmeda y se forma una zona de secado. En esta zona, el gas se enfría a 50-60 °C y lo deja saturado con vapor de agua. En la carga fría situada por debajo (15-20 °C), el gas se enfría, se sobresatura y parte del vapor de agua de esta zona de condensación se deposita en forma de gotitas sobre los grumos de la carga, aumentando su contenido de humedad. Dado que la velocidad de movimiento de la zona de condensación es varias veces mayor que la velocidad de movimiento a lo largo de la capa de la zona de secado, con el tiempo se forma una capa de carga anegada entre estas zonas. En este caso, el espesor de la capa de carga inicial disminuye rápidamente.

El tiempo total de aglomeración se puede dividir en tres periodos:

• inicial, cuando se forman las zonas principales de la capa sinterizada (durante este período, la carga sinterizada se enciende y toda la capa de carga se sobrehumedece durante aproximadamente el mismo tiempo);
• el período principal, cuando los regímenes térmico y dinámico de gases se han estabilizado y las zonas de formación de sinterización, calentamiento intensivo y secado se mueven a lo largo de la capa;
• el último, durante el cual todas las zonas de la capa sinterizada se "sacan" sucesivamente, solo queda en la cinta la torta sinterizada que se está enfriando.

El proceso se considera completo cuando la zona de formación del sinterizado alcanza la parrilla de los carros de sinterización . A una velocidad de sinterización vertical de 20 mm/min, una capa de carga de 300 mm de espesor se convierte en un aglomerado en 15 minutos.

Características del proceso

El proceso de sinterización moderno pertenece al tipo de capas, cuando el aire que pasa a través del material mineral sinterizado asegura la ocurrencia de dos procesos principales:

1. combustión de carga de combustible sólido y
2. transfiere calor de una capa elemental a otra.

En este sentido, los altos indicadores técnicos y económicos del proceso de sinterización solo se pueden lograr con un suministro intensivo de aire a la capa sinterizada. Mientras tanto, las mezclas de sinterización que contienen concentrados de mineral de hierro pulverizado (con un tamaño de partícula inferior a 0,1 mm) tienen una resistencia dinámica de gases muy alta. Por lo tanto, una operación preparatoria obligatoria es la granulación de cargas, el proceso de formación de gránulos con un tamaño de 2-8 mm. Una capa de una mezcla permeable al gas de pozo peletizada de este tipo hace posible lograr altas velocidades de flujo de gas (hasta 0,5–0,6 m/s) con caídas de presión relativamente pequeñas por encima y por debajo de la capa (10–15 kPa).

Uno de los rasgos característicos de la aglomeración de materiales de mineral de hierro es la intensa transferencia de calor y masa en la capa de carga debido a su alta área superficial específica (30–50 cm 2 /cm 3 ). Esto explica la altura relativamente pequeña (15–40 mm cada una) de las zonas de fusión, calentamiento intenso, secado y condensación. La consecuencia de esta característica del proceso es un tiempo de residencia corto de cada volumen elemental del material sinterizado a altas temperaturas: 1,5 a 2,0 min. Por lo tanto, los tecnólogos deben asegurar tales condiciones (tamaño de partícula de los componentes de la carga, velocidad del gas en la capa, etc.) para que en este corto tiempo se puedan completar los principales procesos químicos, mineralógicos y físicos para asegurar la producción de un aglomerado de la calidad requerida: quemado de carbono y azufre, disociación de carbonatos, calentamiento de partículas de mineral a temperaturas de fusión, su pegado, etc.

La segunda característica del proceso de aglomeración es la aparición de un campo de temperatura no uniforme en el volumen del material sinterizado. Debido a la distribución puntual de las partículas de combustible en la carga, los centros de combustión-fusión se alternan con zonas del material (carga o sinterizado) que se encuentran en estado sólido. Como resultado de la contracción local del material fundido, se forman poros de 3 a 10 mm de tamaño en la cámara de combustión. Debido a esta característica, se conserva una estructura de capas suficientemente porosa y permeable a los gases en la zona de existencia de las masas fundidas. Surgen poros adicionales durante la liberación de gases de la combustión de carbono, azufre, la disociación de carbonatos, la reducción de óxidos de hierro, etc.

La tercera característica de la aglomeración es que la combustión de partículas de combustible en la capa se produce en condiciones de doble regeneración de calor: el aire que entra en la zona de combustión se precalienta a 1000-1100 °C en la capa de sinterización de enfriamiento, y el combustible (y el resto de la carga) antes de la ignición calentado hasta 700-800 °C por el flujo de gases calientes que salen de la zona de combustión. Durante aproximadamente el 80 % del tiempo de sinterización, el gas que sale de la capa tiene una temperatura de 50–60 °C. Esto significa que la mayor parte del calor procedente de la ignición y combustión del carbón del combustible sólido de la carga permanece dentro de la capa y participa en los procesos de intercambio de calor.

Otra característica positiva de la aglomeración de materiales de mineral de hierro es que, como resultado de la reducción parcial de los óxidos de hierro en la zona de temperaturas moderadas, los puntos de fusión de dichos materiales reducidos se reducen significativamente entre 150 y 200 °C, lo que reduce significativamente la necesidad de calor en el proceso, lo que permite reducir el contenido de combustible en la carga manteniendo una resistencia suficientemente alta del sinterizado. Lo anterior hace que la aglomeración por succión sea un proceso extremadamente eficiente en términos de desempeño térmico: con un contenido de carbono en la carga de solo 3–5%, es posible calentar el material sinterizado a 1400–1450 °C [13] .

Comparación con otros métodos de aglomeración

Desde 1955, en la metalurgia mundial a escala industrial, comenzaron a utilizar un nuevo método para aglomerar concentrados de mineral de hierro fino: la producción de gránulos . Durante la fusión de pellets en los altos hornos de EE. UU., el consumo específico de coque disminuyó y la productividad de los hornos casi se duplicó. Gracias a una activa campaña publicitaria lanzada por desarrolladores de tecnología y fabricantes de equipos de peletizadoras, muchos metalúrgicos tienen la impresión de que los pelets tienen ventajas innegables sobre el sinterizado. El MCM de la URSS decidió que la dirección estratégica para el desarrollo del subsector de preparación de mineral de hierro para fundición en altos hornos es la construcción intensiva de fábricas para la producción de gránulos con una reducción gradual y, en última instancia, con la eliminación completa de producción de sinterizado. Cualquier intento de científicos y trabajadores de producción en los años 60. Siglo XX para dar una evaluación objetiva del nuevo método de aglomeración fue reprimido contundentemente. Se silenciaron los resultados de la operación de varios altos hornos en Japón con sinterizado fundente bien preparado en comparación con la fusión de gránulos (sin fundente). Los resultados de tan tendenciosa política técnica no se hicieron esperar. Poco después de comenzar a usar gránulos SSGOK en la fundición de alto horno en MMK , los altos hornos tuvieron que cerrarse en caso de emergencia debido al desgaste intensivo de los dispositivos de carga y el revestimiento refractario , debido a un aumento significativo en el contenido de polvo en el gas de alto horno. debido a la fuerte destrucción de los pellets durante la fundición en alto horno.

El análisis objetivo que siguió a estos eventos mostró que los pellets no son “absolutamente” el mejor tipo de mineral aglomerado. Tienen una serie de serias desventajas en comparación con el aglomerado:

• los gránulos no se pueden obtener a partir de concentrados relativamente gruesos, y la molienda adicional hasta la finura requerida (-0,05 mm) aumenta significativamente el costo del concentrado;
• los gránulos más fuertes que el sinterizado se destruyeron durante los procesos de reducción;
• es extremadamente difícil tecnológicamente obtener gránulos de basicidad aumentada (hasta 1,4-1,5) ;
• cuando se operan altos hornos solo con gránulos, surgen ciertas dificultades debido al deterioro de la permeabilidad a los gases de la capa y al desarrollo de procesos de formación de escoria.

La principal ventaja de la aglomeración es su versatilidad: el proceso de sinterización es bastante exitoso utilizando materiales minerales en una amplia gama de tamaños (de 0 a 10 mm); se permiten algunas desviaciones de los parámetros óptimos en términos del contenido de humedad de la carga, el contenido de combustible sólido en ella, etc.

La ventaja indudable de los gránulos sobre el sinterizado es su buena transportabilidad: se destruyen poco durante el transporte por ferrocarril o por mar. Por lo tanto, es recomendable aglomerar el concentrado de mineral fino mediante la producción de pellets en el caso de que la planta minera (con una planta de procesamiento) esté ubicada a una distancia considerable de la planta metalúrgica.

Entre los metalúrgicos , existe la opinión de que la aglomeración y la producción de gránulos no son métodos de aglomeración en competencia, sino complementarios [14] .

Véase también

• máquina de sinterización
• aglomeración
• gránulos
• Briquetas (metalurgia)

Notas

1. ↑ Korotich, 2009 , pág. catorce.
2. ↑ Kozlovsky, 1984 , pág. 43.
3. ↑ Korotich, 2000 , pág. 345-354.
4. ↑ Korotich, 2000 , pág. 74.
5. ↑ Korotich, 2000 , pág. 186.
6. ↑ Kozlovsky, 1984 , pág. 44.
7. ↑ 1 2 Korotich, 2009 , pág. dieciséis.
8. ↑ 1 2 Korotich V. I. , Frolov Yu. A., Bezdezhsky G. N. Aglomeración de materiales minerales. - Ekaterimburgo: GOU VPO "UGTU-UPI", 2003. - S. 16-17. — 400 s. — ISBN 5-321-00336-X .
9. ↑ Korotich, 2009 , pág. 16-17.
10. ↑ Korotich, 2009 , pág. 17
11. ↑ 1 2 Korotich, 2009 , pág. Dieciocho.
12. ↑ Korotich, 2009 , pág. 285.
13. ↑ Korotich, 2009 , pág. 27-31.
14. ↑ Korotich, 2009 , pág. 26-27.

Literatura

• Vegman E.F. Teoría y tecnología de la aglomeración. - M. : Metalurgia, 1974. - 288 p.
• Korotich V. I. , Frolov Yu. A., Kaplun L. I. Fundamentos teóricos de tecnologías para la aglomeración de materias primas metalúrgicas. Aglomeración: un tutorial. - Ekaterimburgo: GOU VPO USTU-UPI, 2005. - 417 p.
• Korotich V. I. , Frolov Yu. A., Kaplun L. I. Fundamentos teóricos de tecnologías para la aglomeración de materias primas metalúrgicas. Aglomeración: un tutorial. - 2º, corregido. y adicional .. - Ekaterimburgo: GOU VPO USTU-UPI, 2009. - 417 p. - ISBN 978-5-321-01579-7 .
• Puzanov V. P., Kobelev V. A. Introducción a la tecnología de formación de estructuras metalúrgicas. - Ekaterimburgo: Rama Ural de la Academia Rusa de Ciencias, 2005. - 501 p.
• cap. edición E. A. Kozlovsky. Enciclopedia de montaña en cinco volúmenes. Volumen 1. - Moscú: Enciclopedia soviética, 1984. - 560 p.
• Korotich V. I. , Naboichenko S. S. , Sotnikov A. I., Grachev S. V., Furman E. L., Lyashkov V. B. (bajo la dirección de V. I. Korotich). Comienzos de la metalurgia: Libro de texto para universidades. - Ekaterimburgo: USTU, 2000. - 392 p. - ISBN 5-230-06611-3 .

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