Окомкование

Окомкование — это процесс окускования тонкоизмельчённых рудных материалов (концентратов) и их смесей с флюсами и связующими добавками путём окатывания во вращающихся барабанных или тарельчатых грануляторах с последующим упрочнением (обжигом) полученных гранул. Основной целью окомкования является получение прочных, пористых и однородных по размеру окатышей (пеллет), пригодных для последующей металлургической переработки, в первую очередь — в доменных печах и при производстве железа прямого восстановления (DRI).

История

Промышленное внедрение окомкования началось в середине XX века, когда истощение богатых кусковых руд и вовлечение в переработку тонкоизмельчённых магнетитовых концентратов потребовало эффективного метода их окускования. Первые патенты на способ грануляции рудных материалов были получены в 1910-х годах в Швеции и Германии, однако массовое применение началось в 1940–1950-х годах в США и Швеции.

В СССР первые промышленные фабрики окомкования были построены в 1960-х годах на Соколовско-Сарбайском горно-обогатительном комбинате (Казахстан) и на Лебединском ГОКе (Россия). К концу XX века окомкование стало основным способом подготовки железорудного сырья для доменной плавки в большинстве стран с развитой чёрной металлургией. В настоящее время объём производства железорудных окатышей в мире превышает 1 миллиард тонн в год.

Технологический процесс

Процесс окомкования включает несколько последовательных стадий:

Подготовка шихты

Исходное сырьё — железорудный концентрат (обычно с размером частиц менее 0,074 мм), измельчённый известняк или доломит (флюсы), бентонит или другие связующие добавки — дозируется и смешивается в заданных пропорциях. Влажность шихты доводится до 8–12 % для обеспечения пластичности.

Окатывание (грануляция)

Смесь подаётся в окомкователи — барабанные или тарельчатые грануляторы. Вращение агрегата вызывает перекатывание частиц, их смачивание и слипание с образованием сырых (зелёных) окатышей диаметром 9–16 мм. Формирование гранул происходит за счёт капиллярных сил и адгезии связующего. Тарельчатые грануляторы позволяют получать более однородные по размеру окатыши, барабанные — обеспечивают большую производительность.

Сушка и обжиг

Сырые окатыши направляются на обжиговую машину (обычно конвейерного типа с подвижными тележками — паллетами). Процесс термической обработки включает несколько зон:

• Сушка — удаление физической влаги при 200–400 °C.
• Подогрев — нагрев до 800–1000 °C.
• Обжиг — высокотемпературная обработка при 1250–1350 °C, в ходе которой происходят спекание частиц, рекристаллизация гематита и магнетита, образование прочных межкристаллических связей.
• Охлаждение — снижение температуры готовых окатышей до 100–150 °C.

Классификация и отгрузка

После обжига окатыши рассеиваются на грохотах для отделения мелочи (менее 5 мм) и крупных фракций. Готовая продукция складируется и отгружается потребителям — металлургическим комбинатам.

Виды окатышей

Окатыши классифицируются по нескольким признакам:

По типу руды

• Магнетитовые — из концентратов магнетитовых руд; при обжиге магнетит (Fe₃O₄) частично окисляется до гематита (Fe₂O₃).
• Гематитовые — из концентратов гематитовых руд; требуют более высоких температур обжига.
• Смешанные — из смеси магнетитовых и гематитовых концентратов.

По назначению

• Доменные — для загрузки в доменные печи; имеют высокую прочность (более 200 кг/окатыш) и основность (CaO/SiO₂) 0,3–1,8.
• Для прямого восстановления — для процессов Midrex, HYL, HBI; отличаются повышенным содержанием железа (более 67 %), низким содержанием пустой породы и высокой восстановимостью.

По основности

• Кислые (основность менее 0,5) — без добавления флюсов.
• Офлюсованные (основность 0,5–1,5) — с добавлением известняка или доломита.
• Высокоосновные (основность более 1,5) — с повышенным содержанием CaO и MgO.

Характеристики и требования к качеству

Качество окатышей регламентируется стандартами (ГОСТ 26475-85, ISO 4700) и техническими условиями металлургических предприятий. Основные показатели:

Оборудование

Основные агрегаты фабрики окомкования:

• Окомкователи — барабанные (диаметром до 4 м, длиной до 12 м) или тарельчатые (диаметром до 7,5 м).
• Обжиговые машины — конвейерные (площадью до 600 м²), реже шахтные печи или вращающиеся трубчатые печи.
• Грохоты — вибрационные или роликовые для рассева окатышей.
• Системы газоочистки — электрофильтры, рукавные фильтры для улавливания пыли и газов (SO₂, NOₓ).

Применение

Окомкование применяется преимущественно в чёрной металлургии для подготовки железорудного сырья. Окатыши используются:

• В доменных печах — как компонент шихты (обычно 20–70 % от массы рудной части) наряду с агломератом и кусковой рудой.
• В установках прямого восстановления железа (Midrex, HYL) — как основное сырьё для получения DRI и HBI.
• В электросталеплавильном производстве — как заменитель металлолома при выплавке стали.

В меньших масштабах окомкование применяется для окускования медных, никелевых, хромовых и других рудных концентратов, а также для грануляции техногенных отходов (шламов, пылей).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая механическая прочность окатышей позволяет транспортировать их на большие расстояния без разрушения.
• Однородный гранулометрический состав улучшает газопроницаемость столба шихты в доменной печи.
• Возможность регулирования основности и химического состава в широких пределах.
• Меньший расход кокса при доменной плавке по сравнению с использованием агломерата (на 5–15 %).

Недостатки

• Высокие капитальные затраты на строительство фабрики окомкования.
• Значительное энергопотребление (около 1,5–2,5 ГДж на тонну окатышей).
• Образование выбросов оксидов серы, азота и пыли, требующих дорогостоящей очистки.
• Чувствительность к влажности и гранулометрическому составу шихты.

Окомкование в России

В России производство железорудных окатышей сосредоточено на нескольких горно-обогатительных комбинатах:

• Лебединский ГОК (Белгородская область) — крупнейший производитель окатышей в РФ, мощность около 20 млн тонн в год.
• Михайловский ГОК (Курская область) — мощность около 10 млн тонн в год.
• Качканарский ГОК (Свердловская область) — производит титаномагнетитовые окатыши.
• Костомукшский ГОК (Карелия) — производит окатыши для экспорта в Европу.

Суммарное производство железорудных окатышей в России составляет около 40–45 млн тонн в год, из которых значительная часть экспортируется в Китай, страны Европы и Ближнего Востока.

Экологические аспекты

Производство окатышей сопровождается выбросами загрязняющих веществ: пыли (до 50–100 мг/м³), диоксида серы (SO₂), оксидов азота (NOₓ) и углекислого газа (CO₂). Современные фабрики оснащаются системами мокрой и сухой газоочистки, а также установками десульфурации. В последние десятилетия разрабатываются технологии «зелёного» окомкования, включающие использование альтернативных связующих (органических полимеров), снижение температуры обжига и рециклинг отходящих газов.

Источники

1. «Металлургия чугуна» / под ред. Ю. С. Юсфина. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2004.
2. «Окомкование железорудных концентратов» / И. М. Равич, В. И. Коротич. — М.: Металлургия, 1975.
3. ГОСТ 26475-85 «Окатыши железорудные. Технические условия».
4. «Iron Ore Pelletization» / A. K. Biswas. — Elsevier, 1981.
5. «Производство окатышей в России: состояние и перспективы» // Горный журнал, 2020, № 5.