Analiza procesului de aglomerare din punct de vedere al conducerii complexe

1.Procese fizico-chimice la aglomerarea

minereurilor feroase

Exploatarea sectiilor de furnale moderne, dotate cu furnale de mare capacitate necesita o incarcatura bine preparata. Intrucat aglomeratul formeaza inca in majoritatea cazurilor, componentul principal din incarcatura furnalelor, se urmareste imbunatatirea calitatii si uniformitatii sale precum si cresterea productivitatii masinilor de aglomerare.

Stabilitatea compozitiei granulometrice a aglomeratului alaturi de uniformitatea compozitiei chimice reprezinta factorii principali care asigura cei mai inalti indici tehnico-economici de functionare ai furnalelor moderne.

1.1. Stadiile procesului de aglomerare.

Din variantele posibile de aglomerare a minereurilor si concentratelor, o aplicatie larga industriala o are metoda de aspiratie a aerului prin stratul de incarcatura pentru aglomerare, cantitatea necesara de caldura a procesului de sinterizare obtinandu-se prin arderea unei anumite cantitati de combustibil solid (cocs).

In acest caz procesul de aglomerare cuprinde trei stadii(fig.1):

- pregatirea incarcaturii pentru aglomerare;

- arderea (sinterizarea incarcaturii);

- prelucrarea mecanica si racirea aglomeratului obtinut.

In general incarcatura pentru aglomerare se compune din amestecuri de minereuri, concentrate, adausuri fondante, combustibili, retur si eventuale adausuri care imbunatatesc formarea micropeletelor de minereu marunt (var, lapte de var, substante active de suprafata).

Incarcatura reprezinta in sine un sistem de dispersie, care reactioneaza activ cu apa si poseda tendinte termodinamice de formare a granulelor. Proprietatile fizico-chimice ale incarcaturii pentru aglomerare si prezenta

Fig.1.Stadiile procesului de aglomerare

posibila a substantelor active de suprafata definesc caracteristica de reactie a   incarcaturii cu apa, iar porozitatea generala a stratului de incarcatura si cantitatea golurilor de diferite dimensiuni caracterizeaza compozitia granulometrica a componentelor ei. Aspectul si marimea sarcinilor dinamice de presare depind de tipul si regimul de lucru al utilajului si in functie de caracterul interactiunii particulelor de minereu cu apa se defineste caracterul si marimea fortelor de aderenta a particulelor solide.

Aparitia granulelor din componentele incarcaturii in prima etapa se datoreste fortelor de capilaritate si reactiunilor. Sub actiunea fortelor dinamice in procesul de amestecare a materialului de incarcatura, surplusul de apa din granulele formate, se separa, distanta dintre micropelete devine identica cu grosimea invelisului de apa absorbita, iar fortele de aderenta sunt limitate de catre fortele de reactiune moleculare.

Caracterul si particularitatile primului stadiu al procesului de aglomerare, indicatorii de calitate si productivitatea depind atat de caracterul de reactiune al particulelor solide cu apa cat si conditiile de micropeletizare, determinate de regimul de lucru al agregatului, de metoda de umezire cat si de compozitia granulometrica a incarcaturii.

Caracteristicile aglomerarii incarcaturii, proprietatile fizico-chimice si deasemeni temperatura, umiditatea, compozitia granulometrica si rezistenta granulelor, determina caracterul si particularitatile celui de-al doilea stadiu al procesului de aglomerare.

Rezistenta granulelor incarcaturii influenteaza asupra modului de asezare pe gratarele masinii, iar compozitia granulometrica, proprietatile fizico-chimice si umiditatea incarcaturii determina inaltimea stratului de aglomerare si stabilitatea lui sub actiunea depresiunii masinii. Aprinderea stratului de material de incarcatura este prima operatie la cald care influenteaza mersul procesului. Efectul arderii depinde de consumul specific de caldura care este direct proportional cu durata de ardere si intensitatea ei. Cantitatea de caldura consumata pentru arderea incarcaturii in unitatea de timp, trebuie sa acopere nu numai pierderile de caldura pentru evaporarea umiditatii hidroscopice dar sa asigure si conditiile pentru arderea incarcaturii pana la incandescenta sa si mentinerea unui regim stabil de ardere a combustibilului in zonele superioare ale stratului. In functie de proprietatile fizico-chimice ale incarcaturii pentru aglomerare consumul de caldura pentru ardere poate varia, intensitatea de ardere fiind cuprinsa intre 34 si 50 MJ/m²/min.

In produsele arderii din cuptorul de aprindere trebuie sa existe oxigen (ardere cu exces mare de aer) care sa asigure conditiile de ardere a combustibilului solid in zona. Este necesar ca oxigenul liber sa depaseasca 12%, aceasta depinzand de tipul combustibilului cat si de coeficientul de exces de aer. Nivelul de temperatura atins prin ardere influenteaza nu numai asupra indicatorilor calitativi ai aglomeratului din stratul de suprafata dar si asupra vitezei de ardere a combustibilului solid si deplasarii undei termice. Durata de ardere depinde de tipul de incalzire a stratului de suprafata pana la temperatura de incandescenta a combustibilului solid si de timpul de ardere a lui, adica durata este in functie de inaltimea zonei de ardere si de viteza de trecere a gazelor prin strat. Inaltimea zonei de ardere in stratul de sinterizare nu depaseste 20 mm si depinde de patrunderea oxigenului spre particulele solide de combustibil. Independent de surplusul. de aer la sinterizare in apropierea particulelor solide de combustibil se observa o insuficienta de oxigen liber, conditionata de structura granulelor si formarea topiturii.

In stratul materialului de incarcatura depus pe masina de aglomerare exista doua zone distincte de schimb de caldura: deasupra zonei de ardere a combustibilului solid, unde caldura aglomeratului obtinut se transmite aerului rece absorbit si sub zona de ardere, unde caldura gazelor fierbinti incalzeste incarcatura rece. Miscarea curentului de gaz prin stratul materialului supus aglomerarii determina astfel deplasarea undei termice si schimbul de caldura in strat. Viteza de deplasare liniara a undei termice depinde de viteza de trecere a gazelor aspirate prin strat si este in functie de proprietatile termofizice ale incarcaturii si de parametrii de ardere a combustibilului solid. La viteze mari de trecere a gazelor aspirate prin stratul de incarcatura, si o cantitate mare de combustibil , viteza de deplasare a undei termice mai depinde si de viteza de ardere a combustibilului in stratul de incarcatura. Schimbul de caldura in stratul de incarcatura se face prin convectie iar la temperaturi inalte, in zona de ardere a combustibilului solid si de incalzire a incarcaturii schimbul de caldura se face prin radiatie si conductibilitate termica.

Proprietatile materialului de incarcatura si a aglomeratului format (caldura specifica, conductibilitatea, porozitatea, densitatea, marimea particulelor componente a incarcaturii si granulelor formate din ele, s.a.) au influenta asupra procesului de schimb de caldura in stratul de ardere. Adaugarea fondantilor in materialul de incarcatura schimba simtitor proprietatile termofizice in special caldura specifica. Se mareste astfel cantitatea gazelor rezultate; datorita unei inalte penetrabilitati a gazelor prin stratul de sinterizare, creste viteza de filtrare, si prin urmare viteza de deplasare a undei termice.

Prezenta combustibilului solid in incarcatura complica mult schimbul de caldura in stratul de sinterizare, intrucat procesul de ardere a combustibilului si deplasarea undei termice se suprapun; sincronizarea lor influenteaza desfasurarea procesului si conditiile de formare a aglomeratului.

1. Procese fizico-chimice la aglomerarea minereurilor de fier

Tehnologia de aglomerare fiind complexa, este analizata in continuare pe secvente urmarind fluxul tehnologic al procesul precum si o descriere sumara a utilajelor aferente.

Alimentarea incarcaturii pe masina de aglomerare Incarcatura formata din minereuri omogenizate si cocs, umezita si amestecata in tobele de amestec este trimisa pe un flux de benzi intr-un buncar de incarcatura, de unde cu ajutorul unui tambur extractor este depusa pe masina de aglomerare peste stratul de pat. Tamburul de extractie isi regleaza continuu viteza de rotatie in functie de viteza masinii de aglomerare.

Incarcatura trebuie alimentata pe masina astfel incat sa se aseze in mod uniform pe toata latimea masinii de aglomerare evitandu-se segregarea sau compactarea. Astfel este posibil ca particulele de cocs sa nu fie uniform distribuite in masa de incarcatura, facand posibila in partea de sus a stratului unui deficit de cocs care ar influenta nefavorabil aprinderea stratului de sub focar.

In ce priveste calcarul, bucatile mari care se aseaza la baza incarcaturii de pe masina formeaza un aglomerat cu pori neuniformi si putin rezistenti. Din punct de vedere al compozitiei chimice, calcarul dispersat neuniform in incarcatura duce la variatii mari ale bazicitatii aglomeratului.

Aparitia fenomenului de compactare are o influenta negativa asupra permeabilitatii la gaze a stratului, conducand la un mers greoi a procesului de sinterizare si la o micsorare a vitezei de aglomerare deci scaderea productivitatii masinii.

Inainte ca materialul ce formeaza incarcatura sa ajunga pe masina de aglomerare, pe suprafata carucioarelor (gratarelor) se aseaza un strat de aglomerat, clasa 8 - 15 mm - pat de aglomerat - care are rolul de a proteja gratarele masinii impotriva temperaturilor zonei de ardere care avanseaza pana la baza stratului de material si de a nu permite infundarea spatiilor dintre gratare cu material de incarcatura, ceea ce ar impiedica trecerea normala a aerului prin strat. Grosimea stratului de pat este cuprinsa intre 20 - 40 mm.

Aprinderea stratului Are rolul de a dezvolta la suprafata incarcaturii o temperatura suficient de mare (1250 - 1300⁰C) pentru inceperea arderii cocsului marunt din amestecul de incarcatura si aglomerarii stratului superior, precum si deplasarea procesului in interiorul stratului cu ajutorul aerului aspirat.

Din punct de vedere constructiv, focarul este constituit din doua zone(fig.2):

- zona de aprindere (cca.1/3 din lungime);

- zona de intensificare aglomerare (2/3 din lungime).

In prima zona, de amorsare a aprinderii stratului de incarcatura gazele de ardere au temperaturi de 1250⁰C. A doua zona a focarului, functioneaza la un regim de ardere cu exces mare de aer, care furnizeaza gaze arse la 500800⁰C si

favorizeaza accelerarea procesului de aglomerare datorita insuflarii in aceasta zona a aerului de dilutie.

Fig. Cuptor cu zone pentru aprinderea materialului de incarcatura

Instalatia de ardere este echipata cu arzatoare care pot functiona la un regim de ardere cu amestec gaz-aer stoechiometric, pana la un regim de ardere cu exces mare de aer.

Aprinderea stratului de material este influentata de marimea depresiunii sub cuptor. Daca depresiunea este prea mica, gazele arse nu mai pot fi absorbite complet, ele impiedicand transferul de caldura in stratul imediat de sub suprafata in care trebuie sa se aprinda cocsul. Daca depresiunea este prea mare, caldura trece prea repede prin toata masa de amestec crud si nu se concentreaza in locul unde este nevoie de aceasta pentru formarea frontului de ardere. In acest caz creste cantitatea de retur.

Influenta pe care o exercita aprinderea asupra procesului de sinterizare, deci a calitatii7 aglomeratului, se manifesta in temperatura la care este incalzit stratul superficial al amestecului de aglomerare in momentul aprinderii. Aceasta valoare are un domeniu strans de variatie si depasirea limitei superioare conduce la formarea unei cruste compacte, putin permeabila dar extrem de friabila, iar o temperatura de aprindere sub limita inferioara conduce la formarea unui strat de material nesinterizat, care trece integral in retur.

Aglomeratul cu bazicitati mari necesita o mare concentratie a caldurii pentru aprindere datorita continutului mare de carbonati in amestec, cat si din necesitatea unei incalziri suficiente a straturilor superioare de amestec, pentru inceperea procesului de ardere a cocsului.

O buna functionare a focarului de aprindere, o reglare corecta a temperaturii si distribuirea uniforma a acesteia pe intreaga suprafata, fac ca la iesirea de sub focar, stratul de aglomerat sa pastreze o suprafata incandescenta uniforma pe o lungime de 1,5 - 3 m, fara a prezenta pete intunecate ca efect al aprinderii neuniforme. Pe masura racirii suprafata devine de culoare neagra mata si bine sinterizata.

Sinterizarea. Temperatura de ardere in stratul superficial, in care aprinderea combustibilului a fost amorsata, atinge 1000 - 1200⁰C, iar ulterior, pe masura coborarii zonei de ardere a combustibilului, temperatura in aceste zone creste treptat pana atinge 1300 - 1400⁰C in straturile inferioare.

Cand zona de ardere se afla suficient de sus, gazele arse, avand de parcurs un strat gros de material, se racesc mai mult si ies din camerele de aspiratie cu 70 - 100⁰C, iar cand zona de ardere se apropie de patul de protectie de pe barele gratarului, temperatura lor atinge 500⁰C.

Zona de preincalzire a materialelor se intinde atat cat temperatura acestora este apropiata de 100⁰C, dupa care urmeaza zona de uscare in care are loc evaporarea intensa a apei continuta in incarcatura. Evaporarea apei are loc in portiunea de incarcatura cu temperatura de 100⁰C pana la temperatura punctului de roua; la temperaturi mai scazute, vaporii de apa continuti de produsele de ardere incep sa condenseze producand supraumezirea straturilor inferioare si odata cu aceasta inrautatirea permeabilitatii lor, ceea ce influenteaza negativ viteza de coborare a zonei de aglomerare. In sectiune longitudinala prin materialul de pe masina apar 5 zone distincte(fig.3):

- zona de racire a aglomeratului format si de preincalzire a aerului aspirat;

- zona de ardere a combustibilului si de aglomerare a incarcaturii;

- zona de preincalzire cu gaze fierbinti in care incarcatura pierde apa de constitutie;

- zona de uscare in care se elimina umiditatea;

- zona in care incarcatura isi mareste umiditatea prin condensarea vaporilor de apa formati in straturile superioare.

Fig.3.Zonele procesului de aglomerare

Coeficientul mare de utilizare a caldurii in procesul de aglomerare determina un consum mic de combustibil (3 - 7% din greutatea incarcaturii) si un bilant termic bun(fig.4).

In zona arderii si aglomerarii, are loc arderea combustibilului amestecat intim cu incarcatura, pana la temperaturi de 1380 - 1400⁰C.

Procesele fizico-chimice la aglomerare, care se desfasoara in cadrul unui sistem cu numar mare de componenti si intr-un interval mic de timp, in care temperatura amestecului de aglomerare creste rapid de la 10 - 15⁰C pana la 1200 - 1500⁰C(Fig.5) pot fi periodizate astfel:

a) Procese intre faza gazoasa si fazele solide in perioada cresterii temperaturii pana la aparitia fazelor lichide;

b) Procese intre fazele lichida, solida si gazoasa din momentul aparitiei fazei lichide pana la temperatura maxima;

c) Procese intre aerul aspirat si fazele solide precum si in interiorul fazelor solide la racirea aglomeratului pana la temperatura ambianta.

 

Fig.4. Principiul bilantului  Fig.5.Pozitia frontului de

termic etajat ardere in functie de timp

In prima grupa de procese intre arderea combustibilului, eliminarea umiditatii, disocierea carbonatilor, disocierea si oxidarea sulfurilor, descompunerea hidratilor si interactiunea complexa intre componentii amestecului de aglomerare si produsele rezultate.

Desi in ansamblu, la aglomerare aerul este in exces in zonele din vecinatatea particulelor de combustibil atmosfera este reducatoare. In urma interactiunii dintre vaporii de apa si cocs, se formeaza o oarecare cantitate de hidrogen, care in produsele de ardere reprezinta 1,5 - 3,0%. In general produsele gazoase au in conducta colectoare urmatoarea compozitie: 10 - 25% CO₂; 2,5 - 5,0% CO si 2,8 - 6,9% O₂, in functie de incarcatura si de consumul de cocs. Introducerea calcarului in incarcatura conduce la cresterea continutului CO₂ in gazele evacuate(fig.6).

Fig.6.Diagrama de reducere a oxidului de fier cu monoxidul de carbon

In zonele cu exces de CO, pot avea loc reactii de reducere la temperaturi joase:

3Fe₂O₃ + C = 2Fe₃O₄ + CO - 128,6 MJ

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + 37,1 MJ

Peste 600⁰C reducerea continua pana la FeO, cu formarea unei solutii solide de magnetita in FeO (wüstita), cu temperatura joasa de topire, care contribuie apoi la aparitia fazei lichide, absolut necesara pentru formarea unui aglomerat cu rezistenta mecanica corespunzatoare. Formarea acestei solutii solide la 600 - 700⁰C este asigurata chiar de un continut relativ mic de CO in faza gazoasa:

Tabel nr.1

Expresiile valorice pentru calculul entalpiei libere standard si a logaritmului constantei de echilibru log K_p pentru reactiile de reducere a oxizilor de fier

Fe₃O₄ + C = 3FeO + CO - 186,6 MJ

Fe₃O₄ + nCO = 3FeO + CO₂ + (n - 1)CO - 20,8 MJ

FeO + nCO = Fe + CO₂ + (n - 1)CO 13,6 MJ

Aceste reactii de reducere au expresiile pentru calculul entalpiei libere standard si a logaritmului constantei de echilibru in functie de temperatura prezentate in tabelul 1.

Reactiile de reducere a oxidului feric sunt favorizate cand in incarcatura se gaseste o cantitate mai mare de carbon. Abundenta oxidului feroferic (magnetita) si a oxidului feros in prezenta bioxidului de siliciu in zona de ardere a stratului supus aglomerarii favorizeaza reactiile de formare a silicatilor de fier, dintre care cel mai important este fayalita. Aceasta se formeaza numai la contactul dintre granulele de magnetita si cuart. Pana cand hematita (Fe₂O₃) nu este redusa la Fe₃O₄, formarea fayalitei nu este posibila.

De aceea reactia de formare a fayalitei in faza solida incepe la 990⁰C, iar viteza este mai mica decat aceea a reactiei de formare a feritilor. Cresterea consumului de combustibil favorizeaza formarea fayalitei in faza solida si impiedica formarea feritilor. Formarea fayalitei in stare solida este conditionata de o atmosfera reductoare. Reactia care are loc este urmatoarea:

2Fe₃O₄ + 3SiO₂ + 2CO = 3Fe₂SiO₄ + 2CO₂

sau

2FeO + SiO₂ = Fe₂SiO₄

Dintre reactiile in faza solida, primul loc ca amploare il ocupa cele dintre CaO si Fe₂O₃ cu formarea feritilor de calciu. Aceasta se explica prin temperatura joasa la care incep reactiile si viteza lor mare in faza solida si care au loc prin difuziunea ionilor de la o granula la alta (sistemul CaO - SiO₂ - ortosilicatul). Formarea feritilor de calciu in stare solida nu garanteaza obtinerea unui aglomerat cu ferite de calciu, daca bazicitatea fazei lichide nu este corespunzatoare si atmosfera nu este oxidanta.

In a doua grupa de procese intra inmuierea materialelor, formarea fazei lichide si interactiunea complexa dintre faza gazoasa, faza lichida si faza solida. Inmuierea este un efect de ansamblu al topirii intr-o serie de microvolume, a unor substante cu temperatura mai joasa de topire, partial provenite din reactiile premergatoare are au avut loc in faza solida.

In sistemul Fe₃O₄ - 2FeO SiO₂ (fig.7 ) sistem de baza pentru procesul de aglomerare a minereurilor de fier in cazul absentii fondantilor se observa ca

dupa topirea fayalitei la 1209⁰C odata cu dizolvarea in topitura a magnetitei, temperatura de topire a silicatului creste treptat (B - A). Compozitia finala a topiturii dupa dizolvarea unei cantitati de magnetita este indicata in zona hasurata.

Din diagrama Fe₂O₃ - CaO (fig.8.) rezulta ca dupa topirea feritelor de calciu, dizolvarea oxidului de fier conduce la scaderea temperaturii de topire a fazei lichide.

Fig.8. Sistemul CaO - Fe₂O₃

Topitura de fayalita devine mai greu fuzibila prin dizolvarea magnetitei, astfel materialul solid se incalzeste la temperaturi mai inalte inainte de a se dizolva in topitura, iar caldura de topire este consumata la temperaturi inalte; aspectul liniei lichidus determina in anumita masura temperatura in zona de topire. Fayalitul - Fe₂SiO₄ - la randul sau impreuna cu oxidul feros si bioxidul de siliciu, formeaza doua eutectice (complexi de tipul Fe₂SiO₄ - FeO SiO₂) cu temperatura de topire de 1177 - 1178⁰C. Fayalitul si cu ceilalti complexi care se formeaza in zona de ardere alcatuiesc faza lichida care poate dizolva alumina si alti oxizi greu fuzibili din incarcatura (fig.9).

Oxidul de calciu din amestecul de aglomerare interactioneaza cu silicatii de fier, formand compusi ternari cu temperaturi de topire mai joase decat ale celor din sistemul FeO - SiO La un continut de 10% CaO temperatura de topire este de circa 1030⁰C. In conditiile realizarii unui aglomerat autofondant reactiile de formare a fayalitei sunt ingreunate de prezenta oxidului de calciu, fata de care SiO₂ are o afinitate mai mare decat fata de FeO (fig.10), fapt care favorizeaza reactiile:

CaO + SiO₂ = CaSiO₂

Fe₂SiO₄ + 2 CaO = Ca₂SiO₄ + 2FeO

iar in cazul cand CaO este insuficient in incarcatura are loc reactia:

Fe₂SiO₄ + CaO = Ca₂SiO₄ + FeO

Fig.10. Sistemul CaO-FeO-SiO₂

Practic oxidul de calciu (CaO) scoate oxidul feros (FeO) din fayalit (Fe₂SiO₄), iar oxidul feros rezultat in urma reactiilor de mai sus impiedica dezvoltarea de la stanga la dreapta a reactiilor reversibile:

2Fe₃O₄    6FeO + O₂

sau

Fe₃O₄ + CO    3FeO + CO₂ - 20,8 MJ

explicand astfel faptul ca aglomeratul autofondant contine mult mai putin FeO decat aglomeratul fara fondant. Din acest motiv continutul de FeO in aglomeratul autofondant nu mai poate constitui un criteriu de calitate pentru ca este neglijabil si nu mai are cum influenta calitatea aglomeratului.

In tabelul sunt prezentati compusii usor fuzibili care se formeaza la aglomerarea minereurilor de fier si care contribuie in mare masura la formarea fazelor lichide.

Fayalitul si ceilalti complexi care se formeaza in zona de ardere, alcatuiesc faza lichida care poate dizolva alumina si alti oxizi greu fuzibili din incarcatura. In cazul unui continut mare de Al₂O₃ (~ 12%) in aglomeratul autofondant obtinut din hematita (Fe₂O₃) se formeaza ferite de tipul CaO Al₂O₃ 2Fe₂O₃ si 3CaO FeO 7Fe₂O₃ foarte usor reductibile datorita Al₂O₃ care reduce vascozitatea si tensiunea superficiala a topiturii.

Tabelul 2

Compusi usor fuzibili, care se formeaza la aglomerarea minereurilor de fier.

Reducerea la minim a continutului de fayalita face ca aglomeratul autofondant sa aiba o reductibilitate ridicata in furnal, in schimb are o rezistenta mecanica mai redusa. Rezistenta mecanica mai redusa se datoreste particulelor de var liber din aglomerat, care sub influenta umiditatii din exterior se transforma in hidroxid de calciu cu majorare de volum, ceea ce conduce la formarea si faramitarea bulgarilor de aglomerat.

In ceea ce priveste influenta diferitelor elemente asupra compozitiei finale mineralogice a aglomeratelor se constata ca acestea schimba intr-o anumita masura natura fazelor. Astfel la bazicitati ridicate, impreuna cu feritele obisnuite de calciu (CaO-2Fe₂O₃, CaO-Fe₂O₃, 2CaO-Fe₂O₃), in aglomeratele care contin 7 - 12% Al₂O₃ s-a stabilit prezenta feritelor de alumina (4CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃, CaO-Al₂O₃-2Fe₂O₃). La bazicitati mai reduse, in afara de olivina de calciu se descopera de asemenea helenita (2CaO-Al₂O₃-SiO₂). Astfel prezenta Al₂O₃ in strat schimba intr-un fel compozitia legaturii de silicat in aglomerat. La aglomerarea amestecurilor care contin alumina se ridica substantial bazicitatea la care silicatii de calciu apar in structura aglomeratului sub forma unei faze separate. Daca fazele separate de silicati de calciu in mod normal apar la bazicitatea 0,4 - 0,6 atunci in aglomeratele din amestecuri cu alumina, acestea se intalnesc la o bazicitate mai mare de 1, ceea ce influenteza pozitiv asupra rezistentei aglomeratului.

In cazul aglomerarii minereurilor care contin si un procent mai ridicat de mangan, se constata prezenta in aglomeratul finit (fara fondant) si a cristalelor de hausmanita, legatura asigurandu-se printr-o solutie solida de fayalita

2FeO-SiO₂ si tefroit 2MnO-SiO In ceea ce priveste aglomeratul cu fondant (fig.11), baza legaturii constituie olivinele manganoase de calciu 2(CaO, MnO, FeO).SiO

Fig.11. Sistem CaO - FeO_n - SiO₂ - MnO

Oxidul de mangeziu, MgO, participa si el in reactiile cu componentele solide ale stratului si se dizolva in topitura de fier. La cristalizare ionii de magneziu patrund in reteaua silicatului bicalcic, formand o solutie solida cu 2CaO-SiO₂ - b, fapt care preintampina transformarea polimorfa (fig.12) .De aceea adaosurile de calcar dolomitic in amestecul de aglomerare sunt pe deplin justificate. La bazicitati mai mari de 2, in structura aglomeratului se gasesc primele urme de silicat tricalcic care determina din nou cresterea rezistentei aglomeratului si a feritelor de Ca care au calitati de liant la fel de bune ca ale olivinelor.

Fig.1 Sistemul CaO-FeO_n - SiO₂ - MgO

O serie de autori [73] mentioneaza ca si P₂O₅, Cr₂O₃ si alti compusi contribuie la stabilizarea 2CaO-SiO₂ - b

Prin procesul de aglomerare se realizeaza si o eliminare totala sau numai partiala a elementelor daunatoare continute in minereuri, cum ar fi sulful, arsenul, zincul si altele.

Eliminarea sulfului prezinta mare importanta in prepararea anumitor minereuri bogate in sulf, acestea trebuind sa fie redus sub 0,1% pentru a putea utiliza in incarcatura furnalului, minereurile respective. Sulfura de fier in conditiile procesului de aglomerare disociaza incepand de la 200⁰C; disocierea se intensifica cu cresterea temperaturii dupa reactia:

FeS₂ =FeS + S

Sulful liber, sub forma de vapori, este evacuat cu gazele unde aceasta se oxideaza:

S + O₂ = SO₂

S + 3/2O₂ = SO₃

La temperaturi peste 400⁰C, sulfura de fier se oxideaza dupa reactiile:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

3FeS₂ + 8O₂ = Fe₃O₄ + 6SO₂

3FeS + 5O₂ = Fe₃O₄ + 3SO₂

In cursul procesului de aglomerare, la temperaturi peste 500⁰C, oxidarea sulfurii de fier se realizeaza si prin reactii directe cu oxidul feric:

7FeS₂ + 2Fe₂O₃ = 11FeS + 3SO₂

FeS + 10Fe₂O₃ = 7Fe₃O₄ + SO₂

Pentru eliminarea sulfului din minereuri, in procesul de aglomerare factorul cel mai important este mentinerea la minim a continutului de carbon in incarcatura. Continutul de carbon in incarcatura trebuie astfel stabilit, incat caldura care se degaja prin combustia combinata a carbonului si sulfului sa fie suficienta pentru producerea temperaturii de aglomerare. Daca exista exces de carbon, oxigenul se va combina cu carbonul, producand astfel topirea si aglomerarea prematura a anumitor compusi sulfurosi, din care apoi este extrem de greu sa se mai elimine sulful. Este cunoscut faptul ca 1% S in incarcatura inlocuieste 0,5% cocs marunt de 24000 kJ/kg. Din practica a rezultat ca o sporire a consumului de cocs cu 0,5% sporeste sulful in aglomerat cu 0,1%, in materiale bine sfaramate, si cu 0,09% in materialele rau sfaramate.

Gradul de macinare a minereurilor cu continut de sulf influenteaza in mare masura desulfurarea, deoarece ofera suprafete de reactie mult mai mari si influenteaza favorabil asupra reactiilor de oxidare a sulfului. In conditiile unui proces de aglomerare bine condus, sulful din minereu continut sub forma de sulfuri se poate elimina in proportie de 98%.

Sunt cazuri cand sulful din unele minereuri se gaseste sub forma de sulfati si anume CaSO₄ si BaSO₄. Indepartarea sulfului din acesti compusi este posibila prin disocierea lor la temperaturi ridicate. Disocierea CaSO₄ incepe la temperaturi peste 800⁰C si ia sfarsit la 1375⁰C. Disocierea are loc dupa reactia:

CaSO₄ = CaO + SO₃

Reactia de disociere este favorizata de prezenta silicei si mai putin a aluminei si a oxidului feric. Aceasta disociere are loc dupa reactia:

CaSO₄ + SiO₂ = CaO.SiO₂ + SO₂ + 1/2O₂

Sulfatul de bariu disociaza la temperaturi de peste 1400⁰C, insa in prezenta silicei, reactia de disociere are loc si la temperaturi de 1000 - 1200⁰C. In general, in cursul procesului de aglomerare, sulful din sulfati se poate elimina in proportie de 70 - 80%. Un consum mai ridicat de combustibil in procesul de aglomerare contribuie la disocierea deplina a sulfatilor si in consecinta la eliminarea totala a sulfului provenit din sulfati.

Eliminarea arsenului prezinta de asemenea o importanta deosebita, deoarece indepartarea lui in procesul de producere a fontei nu este posibila. In cursul procesului de aglomerare, incepand de la 400⁰C combinatiile arsenului se oxideaza:

2FeAsS + 5O₂ = Fe₂O₃ + 2SO₂ + As₂O₃

2FeAsS₂ + 7O₂ = Fe₂O₃ + 4SO₂ + As₂O₃

Trioxidul de arsen (As₂O₃), la temperaturi de peste 450⁰C se volatilizeaza complet si trece in gaz, unde in prezenta oxizilor de fier si in mediu oxidant, se oxideaza in continuare pana la pentaoxid care nu mai este volatil si disociaza numai la temperaturi mari (700 - 1000^oC) si in atmosfera reducatoare. Reactia lui de formare este urmatoarea:

As₂O₃ + O₂ = As₂O₅

Sub aceasta forma, o mare parte din arsen ramane in aglomerat, racindu-se o data cu acesta, iar in prezenta oxidului de calciu pentaoxidul de arsen formeaza arseniatul de calciu, care este de asemenea un compus stabil.

As₂O₅ + CaO = CaO-As₂O₅

Prezenta bioxidului de siliciu face posibila reactia:

CaO.As₂O₅ + SiO₂ = CaO.SiO₂ + As₂O₅

La temperaturile mari din procesul de aglomerare, pentaoxidul de arsen disociaza in trioxid de arsen si oxigen. La scaderea temperaturii gazelor arse sub 400⁰C, cea mai mare parte din trioxidul de arsen incepe sa condenseze depunandu-se in straturile inferioare ale incarcaturii, unde poate sa se oxideze din nou la pentaoxidul de arsen, iar cand zona de ardere si aglomerare ajunge la straturile inferioare, cu toata atmosfera oxidanta, se reuseste indepartarea in gaze a unei bune parti din arsen sub forma de oxid de arsen volatil.

Cu toate conditiile defavorabile, in procesul de aglomerare obisnuit se poate elimina pana la 25 - 30% din arsenul continut initial in minereuri. Conducerea procesului de aglomerare la temperaturi mari favorizeaza o eliminare mai mare a arsenului. Efectuarea aglomerarii intr-o atmosfera mai reducatoare (ceea ce este posibil in cuptoarele rotative) conduce la o eliminare a arsenului din incarcatura pana la 50 - 60%. Astfel, la temperaturi peste 700⁰C; si intr-o atmosfera reducatoare, pentaoxidul de arsen se descompune rezultand substante volatile, care pot fi indepartate din aglomerat:

As₂O₅ + 2CO = As₂O₃ + 2CO₂

As₂O₅ + 2H₂ = As₂O₃ + 2H₂O

As₂O₅ + 2C = As₂O₅ + 2CO

Arsenul ramas in aglomerat se gaseste sub forma de pentaoxid de arsen nevolatil, arseniati si trioxid de arsen in cazul cand procesul de aglomerare nu a ajuns pana jos la gratar.

In procesul normal de aglomerare, zincul se elimina in cantitati foarte mici, iar fosforul ramane complet in aglomerat.

4.Conditii de calitate a materiilor prime si a aglomeratului

Aglomerarea minereurilor feroase este definita prin standardul de intrerpindere al "SIDEX"SA ca fiind "produsul in care un amestec de minereuri de fier cu granulatia fina (d<1 mm) sintetizata prin actiunea caldurii dezvoltata de arderea cocsului adaugat in acest amestec" (STI - or7).

4.1.Calitatea omogenizatului din minereuri

Amestecul de minereuri feroase, constituit dupa o anumita reteta tehnologica trebuie sa indeplineasca conditii de calitate cum ar fi: compozitia chimica a amestecului si granulatia acestuia.

Importanta asigurarii unor materii prime pentru fabricile de aglomerare corespunzatoare din punct de vedere al constantei chimice si granulometrice face ca rolul operatiei de omogenizare - de a aduce minereuri cu compozitii chimice si granulometrice diferite la un amestec cu o compozitie chimica si granulometrica uniforma si omogena - sa fie determinat pentru obtinerea aglomeratului de calitate pentru furnale.

Omogenizarea se realizeaza prin depunerea diferitelor sorturi de minereuri (cu compozitia chimica cunoscuta si in cantitati stabilite) in straturi succesive pe toata lungimea stivei. Preluarea amestecului omogenizat se face pe intreaga sectiune transversala a stivei, deci din toate straturile.

Cu cat gradul de omogenizare al amestecului utilizat va fi mai ridicat, cu atat indicii de calitate ai aglomeratului, exprimati in stabilitatea la continutul de Fe si bazicitate vor fi mai buni.

Compozitia chimica permite verificarea la dozare a indicelui de bazicitate prescris, prin raportul intre oxizii bazici si oxizii acizi cat si respectarea tehnologiei de formare a stivei de omogenizare prin variatia continutului de Fe ( 1%) pe masura consumului.

Granulatia amestecului omogenitizat controleaza aptitudinea fizica pentru aglomerare a minereurilor marunte introduse in stiva de omogenizare

(0-8mm; max.15% >8 mm).

4.Calitatea calcarului si cocsului

Calitatea calcarului si cocsului pentru dozare se controleaza numai din punct de vedere granulometric. Granulatia calcarului trebuie sa fie in mod riguros cuprinsa intre 0 si 3 mm (recomandat fiind 0,5 - 2 mm), iar cocsul dupa operatia de concasare este sortat la o granulatie de 0 - 3 mm (recomandat 0,2 - 2 mm).

Granulometric calcarul concasat se considera corespunzator daca fractia mai mare de 3 mm este de max.6%, iar pentru cocsul concasat se considera corespunzator daca fractia mai mare de 3 mm este de max.8%.

Compozitia chimica a calcarului si cocsului este data in tabelul 3

Tabel nr.3

In procesul de aglomerare, minereurile utilizandu-se numai sub forma de omogenizat, dozarea practic se reduce la amestecarea celor trei componenti: omogenizat, calcar si cocs in proportii bine stabilite. Sarja formata din cei trei componenti se completeaza apoi cu o cantitate prescrisa de retur cu granulatia de 0-6 mm.

Pentru o dozare corecta este necesar sa se cunoasca cat mai exact compozitia chimica a omogenizatului, a calcarului si cocsului iar dozatoarele gravimetrice sa aiba erori cat mai mici de cantarire.

In functie de indicele de bazicitate cerut, de continutul de CaO si SiO₂ din omogenizat si calcar, se dozeaza calcarul in reteta, cu relatia:

, [t/h] (1)

in care: Q_c este debitul de calcar dozat, t/h; Q₀- debitul de omogenizat, t/h;

I_b - indicele de bazicitate prescris; b₀ - continutul de SiO₂ in omogenizat, %;

a₀ - continutul de CaO in omogenizat, %; b_c - continutul de SiO₂ in calcar, %;

a_c - continutul de CaO in calcar, %.

Cocsul marunt se dozeaza in functie de debitul de omogenizat si de retur. Se prescrie 80 kg de cocs pe tona de omogenizat si 20 kg pe tona de retur.

4.3.Calitatea aglomeratului

Calitatea aglomeratului produs se controleaza din punct de vedere al compozitiei chimice, granulometrice si al rezistentei mecanice.

Compozitia chimica a aglomeratului este controlata in vederea cunoasterii continutului de Fe, Mn si al bazicitatii. Agomeratul se considera corespunzator si nu se declaseaza daca la compozitia chimica bazicitatea nu depaseste

Continutul de Fe in aglomeratul autofondant poate avea valori cuprinse intre 46-54%, functie de balanta de materii prime si conditiile de aprovizionare existente.

Indicele de bazicitate (I_b) al aglomeratului este impus de conditiile de aprovizionare si poate avea valori intre 1,4 - 2,4.

Granulatia aglomeratului se determina prin ciuruire dupa statia de sortare a fabricilor de aglomerare (G.A.) si este reprezentata pin continutul in procente a fractiei 6-10 mm, din aglomeratul sortat care nu trebuie sa depaseasca 16%. Granulatia aglomeratului incarcat in furnale (GF) este reprezentata prin continutul in procente a fractiei 6 - 10 mm din aglomeratul incarcat in furnale care nu trebuie sa depaseasca 26%. Gradul de sfaramare al aglomeratului, SA, il constituie raportul dintre granulatia de la furnal GF si granulatia aglomeratului la statia de sortare, GA, care nu trebuie sa depaseasca valoarea de 1,75.

Rezistenta mecanica se determina cu ajutorul tobei Rubin (STAS 10929-878). Proba reprezentativa are o greutate de 100 Kg si reprezinta insumarea a patru probe elementare. Probele elementare sunt formate din bulgari de aglomerat cu f > 100 mm. Din aceasta cantitate se alege prin sitare

20 kg aglomerat cuprins intre 10 - 40 mm si se introduce in toba Rubin . Toba cu material se va roti timp de 4 minute cu 25 rot/min dupa care se goleste complet, continutul tobei fiind sitata mecanic (manual) timp de 3 minute prin sita cu ochiurile de 6,3 mm.

Tabel nr.4..

Rezistenta mecanica este data de continutul in procente al fractiei granulometrice 0-6,3 mm(vezi tabel nr.4)

Aprecierea calitatii aglomeratului din punct de vedere fizico-mecanic se face dupa continutul in fractia granulometrica 6 - 10 mm si rezistenta mecanica.

Aglomeratul care contine fractia 6 - 10 mm mai mare de 22% se considera necorespunzator. Daca se incadreaza in clasele A-D acesta se considera corespunzator pentru furnale.

4.4.Indicele de calitate a aglomeratului.

Indicatorii de calitatea sunt legati in special de compozitia chimica, starea fizica a bucatilor de aglomerat, rezistenta mecanica a acestora, precum si comportarea la cald in conditiile din furnal.

Realizarea compozitiei chimice consta in cunoasterea continutului de Fe a cantitatilor de steril din componenta a substantelor nocive si a bazicitatii.

Pentru a realiza cerinta de indice de bazicitate complet (CaO+MgO/SiO₂+Al₂O₃) singura posibilitate de reglare a compozitiei consta in introducerea de calcar si dolomita in omogenizat, tinand cont si de continutul de magneziu al minereurilor. Aceasta presupune cunoasterea compozitiei chimice de la pregatirea stivei de omogenizare. In prezent, bazicitatea propusa se obtine intr-o prima aproximare prin analiza previzionala a stivei, plecand de la analizele obisnuite ale componentilor, ceea ce permite determinarea unui prim procentraj al adaosului de calcar. La iesirea primelor aglomerate corespunzatoare unei noi stive, o serie de circa sase prelevari pe probe permit verificarea acestei analize si efectuarea de eventuale corectii definitive a adaosului de calcar. Dupa aceea compozitia este verificata o data pe zi.

Desi obtinerea bazicitatii vizate, chiar daca este primul obiectiv in realizarea compozitiei chimice, nu este singurul.

Printre alte caracteristici determinate prin analiza chimica figureaza cantitatea de elemente insotitoare din minereuri si cel de oxid feros. Se admit abateri foarte mici in compozitia aglomeratului la continutul de Fe (sub 0,5%).Continutul de magneziu, se obtine prin reglarea adaosului de dolomita cu o precizie satisfacatoare.

Realizarea proprietatilor fizice se refera la porozitatea, granulatia, rezistenta mecanica, reductibilitatea si indicatori de calitate privind comportatea la cald a aglomeratului.

Porozitatea aglomeratului variaza de regula, in limite destul de largi, si anume intre 40-60%. Aceasta nu este normata in cadrul fabricilor de aglomerare, insa pentru analize tehnice de functionare a furnalelor, sunt necesare efectuarea de astfel de analize, metodologia de determinare fiind similara cu cea aplicata la determinarea porozitatii cocsului.

Urmarind ordinea prezentata, urmatoarea caracteristica fizica este rezistenta mecanica a aglomeratului (gradul de sfaramare) la rece, necesara pentru a evita formarea de granule fine in cazul manipularii si in cursul incarcarii in furnal.

Tabel nr.5

Instalatii pentru determinarea rezistentei mecanice a aglomeratului

Cea mai cunoscuta si utilizata metoda de determinare a rezistentei mecanice este utilizarea tobei rotative pentru sfaramarea aglomeratului. In tabelul 5 sunt date caracteristicile acestor instalatii.

Incercari la cald pentru aglomerat. Deoarece o singura incercare care sa caracterizeze de o maniera globala comportarea aglomeratului in furnal nu exista, s-au pus la punct o serie de incercari a caror sinteza a rezultatelor ne permite sa facem o apreciere generala. Incercarile la cald pentru aglomerare se refera la reductibilitatea acestuia si temperatura de inmuiere - topire (inmuiere la cald sub sarcina).

Reductibilitatea este dependenta de natura oxizilor supusi reducerii, caracteristicile fizice ale minereurilor, natura agentului reducator, precum si conditiile de presiune si temperatura, la care are loc procesul.

Sunt cunoscute mai multe metode de determinare a reductibilitatii (Gakushin, V.D.E.H., etc.) care vor fi tratate mai amanuntit in capitolul 3.3.

Rezultatele determinarii constau in efectuarea granulatiei aglomeratului dupa desfasurarea reducerii si cantarirea fractiei mai mici de 3 mm, exprimate in procente de greutate. In aceasta incercare se acorda mai multa importanta comportarii fizice a materialelor dupa reducere, decat reductibilitatii sale; aceasta comportare este apreciata dupa procentele fractiei mai mici de 5 mm dupa o ora de reducere si prin rezistenta mecanica la abraziune dupa reducere. Aceasta se determina printr-o incercare la abraziune intr-o instalatie tip tambur intins, timp de o ora.

Comportarea aglomeratului in furnal este simulata prin determinarea punctului de inmuiere al acestuia sub sarcina. Incercarea este realizata in atmosfera reducatoare. La intervale de timp egale, sunt masurate: temperatura probei, inaltimea stratului, caderile de presiune din strat si temperatura la care apare prima picatura de lichid.

Probele privind comportarea la cald se fac pentru stabilirea tehnologiei de fabricatie a aglomeratului si cunoasterea influentei acestuia in functionarea furnalelor.

Indici de calitate. Principalii indici care pot fi considerati pentru eficienta productiei si calitatea aglomeratului sunt:

- rezistenta mecanica la rece a aglomeratului (toba Rubin sau Micum),

- continutul de Fe^2* in aglomerat,

- indicele de bazicitate,

- alte determinari calitative (contractia la cald, reductibilitatea, etc.).

Pe plan mondial calitatea aglomeratului este apreciata dupa IQ (indice de calitate) care cuprinde mai multe caracteristici ale aglomeratului si se calculeaza dupa o metodologie stabilita pe baza influentei acestora in procesul de elaborare a fontei in furnal.

Fiecare caracteristica contribuie cu un numar de procente la calculul lui IQ ale caror valori sunt cuprinse intr-un interval de la 0 la 100 (fig.18).

Fig.18. Indicele de calitate IQ pentru aglomerat

5.Concluzii

Procesul tehnologic de aglomerare a minereurilor si concentratelor pe masini continue tip banda prin aspiratia aerului are cea mai larga aplicatie industriala pentru transformarea fractiilor fine in bulgari.

Incarcatura pentru masinile de aglomerare se compune in general din diverse sorturi de minereuri si concentrate feroase, adaosuri fondante, combustibil si retur de aglomerat, iar produsul final este aglomeratul, componentul principal, in incarcatura furnalelor.

Procesele chimice caracteristice tehnologiei de aglomerare cuprind reactii in faza solida, lichida si gazoasa, iar sistemele principale care caracterizeaza procesul sunt Fe-Si-O, Ca-Fe-Si-O, Al-Ca-Si-O. Din diagramele de echilibru rezulta ca procesul de aglomerare trebuie astfel condus incat temperatura din strat sa nu depaseasca 1350⁰C, pentru a favoriza obtinerea in proportii cat mai mare a SFCA (silicoferiti de calciu si aluminiu) care este un compus stabil, usor reductibil in procesele din furnal.

Proprietatile fizice ale amestecului format cum ar fi capacitatea calorica, conductibilitatea termica, densitatea, porozitatea, marimea particulelor incarcaturii au o influenta directa asupra schimbului de caldura din strat si aglomeratului produs.

Fluxul tehnologic de aglomerare este complex si analizat pe secvente urmarind tehnologia procesului, variabilele de intrare si iesire, precum si factorii de perturbatie care influenteaza procesul. In cazul sinterizarii minereurilor feroase sistemul tehnologic cuprinde si instalatiile si utilajele in care se desfasoara procesele precum si legaturile dintre acestea.

Instalatiile de aglomerare reprezinta un ansamblu la care diferitele operatii si procese se grupeaza in subsisteme intre care se poate stabili o legatura pe baza fluxului tehnologic. Acestea sunt prevazute cu dispozitive periferice de masura si control cu ajutorul carora se poate urmari si caracteriza desfasurarea procesului sau valorile masurate pot fi introduse in bucle de reglare a sistemelor ceea ce conduce la automatizarea procesului.

Calitatea aglomeratului se controleaza din punct de vedere al compozitiei chimice, granulometrice si a rezistentei mecanice indicatori insuficienti pentru a caracteriza influenta acestuia asupra proceselor din furnal.

Indicele de calitate caracterizeaza complex aglomeratul produs si se refera la influenta proprietatilor fizice, chimice si mecanice al acestuia in procesul de elaborare al fontei in furnal.

Deoarece procesul dea aglomerare are un caracter complex fiind influentat de o multitudine de factori ce actioneaza in subsistemele proceselor componente se impune utilizarea tehnicii de calcul la conducerea proceselor ce au loc in sistem.