Агломерационное производство

Агломерационное производство — это технологический процесс окускования мелкодисперсных рудных материалов (руды, концентратов, колошниковой пыли) и металлургических отходов (шламов, окалины) путём спекания их с твёрдым топливом (коксовой мелочью) в крупные пористые куски — агломерат. Процесс осуществляется на агломерационных машинах и является одной из ключевых стадий подготовки сырья к доменной плавке, наряду с окомкованием (производством окатышей). Цель агломерации — улучшение металлургических свойств шихты: повышение прочности, пористости, восстановимости и удаление вредных примесей (серы, мышьяка, цинка).

История развития

Ранние методы окускования

До середины XIX века металлургическая промышленность использовала преимущественно крупнокусковые руды, которые загружались в доменные печи практически без подготовки. С развитием обогащения и переходом на бедные руды возникла проблема утилизации тонких концентратов (размером менее 1 мм), которые невозможно было загружать в домну без окускования — они забивали газопроницаемость шихты и выносились газами.

Изобретение процесса

Первый патент на спекание руд на движущейся решётке получил Артур Крейбиг (Германия) в 1892 году. Однако промышленное внедрение пришлось на начало XX века. В 1906 году американский инженер Томас Дуайт (Dwight) и его партнёр Роберт Ллойд (Lloyd) разработали ленточную агломерационную машину непрерывного действия. Установка, запущенная в 1911 году в штате Мичиган (США), стала прототипом современных агрегатов. В России первый агломерационный цех был построен в 1925 году на Магнитогорском металлургическом комбинате.

Развитие в XX веке

В 1930—1950-е годы агломерационные машины совершенствовались: увеличивалась ширина и длина ленты, внедрялись системы отопления зажигательных горнов, создавались методы интенсификации (предварительная нагрев шихты, комбинированное дутьё). К 1970-м годам агломерационное производство стало основным способом подготовки железорудного сырья для доменных печей в СССР, Китае, Японии и странах Европы. В 1980-е годы в мире начала распространяться технология спекания с использованием отходящих газов для рециркуляции (процесс Lurgi/Outotec).

Технология процесса

Исходные компоненты

Агломерационная шихта состоит из следующих компонентов:

• Железорудная часть (60–75 % массы): руда, концентрат (магнетитовый или гематитовый), колошниковая пыль, шламы, окалина.
• Топливо (4–8 %): коксовая мелочь (фракция 0–3 мм) или антрацит. Топливо обеспечивает нагрев частиц до температуры их спекания (1100–1350 °C).
• Флюсы (5–15 %): известняк (CaCO₃), доломит (CaMg(CO₃)₂). Флюсы связывают пустую породу и серу, снижая вязкость шлака.
• Вода (7–10 %): для увлажнения шихты перед спеканием с целью её грануляции.
• Возврат (15–40 %): мелкий агломерат (фракция менее 5 мм), не прошедший классификацию. Добавка возврата стабилизирует газопроницаемость слоя.

Стадии спекания

1. Подготовка шихты: компоненты дозируются смесителями, увлажняются и окомкуются (гранулируются) в барабанных или тарельчатых грануляторах. Цель — получение комочков размером 1–5 мм.
2. Загрузка на машину: окомкованная шихта равномерно укладывается на движущуюся решётку (паллеты) слоем высотой 300–500 мм.
3. Зажигание: верхний слой шихты разжигается факелом зажигательного горна (при температуре ~1300 °C) — коксовая мелочь воспламеняется.
4. Спекание: под действием вакуума, создаваемого эксгаустером, горячие газы проходят через слой сверху вниз. Зона горения (длиной 100–200 мм) постепенно опускается; твёрдое топливо сгорает, образуя жидкую фазу, которая связывает соседние частицы.
5. Остывание: после прохождения зоны горения агломерат охлаждается на ходу воздухом (в зоне холостого хода машины) или в отдельном охладителе (барабанном, конвейерном). Температура снижается до 50–80 °C.
6. Грохочение (рассев): остывший «агломерированный пирог» дробится (валковой дробилкой) и рассеивается на классы:

• годный агломерат (5–40 мм);
• мелкая фракция (мелочь, <5 мм);
• мелкие фракции — возврат.

Агломерационная машина

Основной агрегат — ленточная агломерационная машина непрерывного действия. Её конструкция включает:

• станину с направляющими;
• бесконечную ленту из сварных паллет (тележек);
• вакуум-камеры под лентой;
• зажигательный горн;
• эксгаустер (вакуум-насос);
• тракт загрузки и разгрузки.

Производительность современных машин — от 150 до 900 т агломерата в час. Крупнейшие отечественные машины (например, на Магнитогорском МК) имеют рабочую поверхность 600–700 м².

Классификация

По типу исходного сырья

• Железорудное агломерирование — производство железорудного агломерата (80–85 % мировых объёмов).
• Марганцевое агломерирование — для окускования марганцевых концентратов (используется в ферросплавной промышленности).
• Свинцово-цинковое агломерирование — для переработки сульфидных концентратов (процесс вельцевания).

По способу подвода тепла

• С постоянным нижним вакуумом (классическая схема Дуайта — Ллойда).
• С комбинированным дутьём (подача газа или кислорода в зону спекания).
• С рециркуляцией отходящих газов (экологичные варианты: процесс «Lurgi-ESP», «Compact®»).

По месторасположению в металлургическом цикле

• Агломерация железорудного концентрата (из обогатительных фабрик).
• Агломерация побочных продуктов (шламы, окалина, колошниковая пыль) — утилизация металлургических отходов.

Применение и значение

В доменном производстве

Агломерат является основным компонентом доменной шихты (60–95 % объёма) в России, на Украине, в Китае и странах СНГ. По сравнению с сырой рудой агломерат имеет:

• бо́льшую прочность (80–150 Н/мм²);
• однородный гранулометрический состав (5–40 мм);
• пористость 15–25 % (улучшает газопроницаемость);
• повышенное содержание железа (Fe 50–65 %) за счёт удаления пустой породы.

В чёрной металлургии

• Снижение расхода кокса в доменной печи на 10–15 %.
• Увеличение производительности печи (на 20–30 %).
• Возможность переработки отходов (шламов с содержанием Fe 30–50 %), которые иначе вывозились бы в отвалы.

Экологические аспекты

Агломерационное производство относится к наиболее экологически «грязным» металлургическим процессам. Основные загрязнители:

• Твёрдые частицы (пыль: оксиды железа, SiO₂, Al₂O₃) — выбрасываются через систему очистки (электрофильтры обычно имеют КПД 99,5 %);
• Сернистый ангидрид SO₂ — образуется при окислении серы в топливе (коксовая мелочь содержит 0,5–1,5 % S) и в руде. Для снижения применяют известкование шихты (связывание CaO);
• Оксиды азота NOₓ (продукт горения при высоких температурах);
• Диоксины/фураны — образуются при неполном сгорании органических компонентов шихты с хлором. В современных агрегатах используются системы рециркуляции газов и впрыск сорбентов.

С 2000-х годов в развитых странах (ЕС, Япония) внедряются «чистые» технологии: газоочистка с адсорбцией диоксинов активированным углем, рециркуляция до 50 % отходящих газов в зону спекания.

Экономика и производители

Мировое производство агломерата в 2020-х годах оценивается в ~1,2–1,5 млрд т/год. Крупнейшие производители:

• Китай — 700–900 млн т (лидирует благодаря домнам малого и среднего объёма);
• Россия — 90–110 млн т (заводы: Магнитогорский МК, Новолипецкий МК (НЛМК), Череповецкий МК («Северсталь»));
• Индия — 70–90 млн т.

В России агломерационное производство сосредоточено преимущественно на комбинатах с полным металлургическим циклом. Доля концентрата, окускованного в агломерат, составляет 60–70 % от всего подготовленного сырья, остальное — окатыши (производятся на горно-обогатительных комбинатах).

Перспективы развития

С 2010-х годов в мировой металлургии наблюдается тренд на вытеснение агломерации более экологичными методами: производством окатышей (окатывание с обжигом) и брикетированием. Основные причины:

• высокий выброс CO₂ (≈0,3 т CO₂ на т агломерата);
• необходимость переработки сернистых руд (сульфидная сера ухудшает качество агломерата).
• разработка технологий прямого восстановления железа (DRI/HBI) без агломерации.

Тем не менее, агломерационное производство остаётся экономически выгодным для доменных печей, потребляющих отходы обогащения. В России и Китае модернизируются существующие машины (повышение производительности, внедрение систем замкнутого водооборота и улавливания диоксинов). Полный отказ от агломерации прогнозируется не ранее 2040–2050 годов.

Интересные факты

• Первый советский агломерационный цех (1928–1930) на Магнитогорском комбинате был спроектирован на базе опыта фирмы «Магни» (Германия). В 1932 году его производительность составила 1 млн т/год.
• Самые мощные в мире агломерационные машины (площадью 700 м²) работают в Китае на заводе Baosteel.
• Экспериментальный процесс агломерации под вакуумом (до 0,3–0,5 атм) позволяет снизить расход топлива на 15–20 % за счёт интенсификации горения.

Источники

1. Справочник металлурга. Том 1: Подготовка железорудного сырья. — М.: Металлургия, 2012.
2. Коротич В. И. Теоретические основы агломерации железорудных материалов. — Екатеринбург: УрО РАН, 2009.
3. Technical Report: Sintering of Iron Ore — Processes and Emissions. — U.S. EPA, 2020.
4. Статья «Агломерационное производство» из Большой советской энциклопедии (3-е изд., 1973).
5. Материалы конференции «Экология в чёрной металлургии» — МИСиС, 2021.
6. Отчёт Международной ассоциации производителей чугуна (WSD), 2023.