Развитие техники и технологии окомкования железорудного сырья в металлургии

В. М. Павловец  
РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ  
И ТЕХНОЛОГИИ ОКОМКОВАНИЯ  
ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ  
В МЕТАЛЛУРГИИ  
Монография 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 669.162.23 
ББК 34.323 
П12 
Р е ц е н з е н т ы :
доктор технических наук, профессор кафедры металлургии черных металлов 
Юргинского технологического института (филиала)  
ФГAОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический 
университет» Р. А. Гизатулин; 
доктор технических наук, профессор, заместитель директора  
«ООО ЭнергоИзолит-Групп» Л. Б. Павлович 
Павловец, В. М. 
П12 
Развитие техники и технологии окомкования железорудного сырья 
в металлургии : монография / В. М. Павловец. - Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2022. - 336 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1041-0 
Изложены основы теории и технологии производства железорудных окатышей. Раскрыты проблемы техники и технологии окомкования железорудного 
сырья в металлургии применительно к сфере производства железорудных окатышей. Представлены результаты научных исследований и технические разработки в области теории и технологии подготовки железорудного сырья к металлургической плавке, посвященные новой технической концепции производства 
железорудных окатышей.  
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Металлургия», а также аспирантов и инженерно-технических работников. 
УДК 669.162.23 
ББК 34.323 
ISBN 978-5-9729-1041-0 
” Павловец В. М., 2022 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 

СОДЕРЖАНИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.......................................................................................................... 7 
ВВЕДЕНИЕ……………………………… 
............................................................ …..9 
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ  
ПОДГОТОВКИ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ  
К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЛАВКЕ ……………………………… .......... …..12 
1.1Общие сведения о практике использования и производстве  
железорудных окатышей 
.................................................................... …..12 
1.2Общая характеристика технологии производства железорудных 
окатышей 
.................................................................................................... 14 
1.3Основы теории и практики окомкования железорудных  
материалов в металлургии 
........................................................................ 19 
1.3.1 Развитие техники окомкования железорудных материалов 
в начале промышленного производства окатышей 
...................... 19 
1.3.2 Характеристика современных окомкователей 
.............................. 41 
1.3.3 Основы теории окомкования железорудных материалов 
............ 61 
2 ОРГАНИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОКОМКОВАНИЯ  
ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ, СТРУКТУРНО СОДЕРЖАЩЕГО 
ПРИНУДИТЕЛЬНОЕ ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЕ СПОСОБОМ 
НАПЫЛЕНИЯ ВЛАЖНОГО МАТЕРИАЛА  
НА ДОННЫЙ ГАРНИСАЖ 
ОКОМКОВАТЕЛЯ 
................................................................................................ 69 
2.1 Анализ технологических резервов и разработка обобщенной  
структуры производственного маршрута подготовки железорудного  
сырья к спеканию ...................................................................................... 69 
2.1.1 Разработка технологического алгоритма альтернативных 
способов подготовки железорудной шихты к спеканию  
на основе морфологического анализа 
............................................. 69 
2.1.2 Анализ структурно-технологической схемы и совместимость  
элементов способов подготовки шихты к спеканию   
с заданными технологическими условиями 
................................... 78 
2.2 Организация технологической схемы и проектирование 
экспериментальной установки для получения сырых  
железорудных окатышей, структурно содержащей систему  
аппаратов для принудительного зародышеобразования……… ...... …83 
2.2.1 Общие принципы организации технологической схемы 
принудительного зародышеобразования влажной шихты 
напылением воздушношихтовой струей 
в холостой зоне окомкователя ....................................................... 83 
3 

 
2.2.2 Математическое описание движения зародыша сложной  
формы на тарели окомкователя и анализ способов 
окомкования железорудной шихты в режиме 
принудительного зародышеобразования ...................................... 94 
2.2.3 Конструкция экспериментальной установки для получения 
железорудных окатышей, структурно содержащая систему 
аппаратов для принудительного зародышеобразования… ..... ...111 
2.2.4 Методика экспериментов и определения физических  
параметров напыленного слоя, зародышей и окатышей…. ..... ..120 
2.3 Теплофизическая модель воздушношихтовой струи на участке 
загрузки шихты в окомкователь и динамика взаимодействия 
струи со слоем влажных железорудных материалов .......................... 122 
2.3.1 Исследование физических характеристик трехфазной 
воздушношихтовой струи и ее структурных составляющих ... 122 
2.3.2 Исследование температурных полей воздушношихтовых 
струй и теплового взаимодействия струи с шихтовыми  
материалами .................................................................................. 132 
2.3.3 Расчет давления воздушношихтовой струи на шихтовый 
гарнисаж окомкователя ............................................................ ....135 
2.3.4 Аэродиннамические исследования при взаимодействии  
струи воздуха с поверхностью ограждения……………... ... ….143 
2.4 Организация технологической схемы и исследование режимов 
напыления влажной шихты воздушношихтовыми струями  
на шихтовый гарнисаж в холостой зоне  
тарельчатого окомкователя .................................................................... 149 
2.4.1 Формирование макроструктуры напыленных покрытий     
в технологиях газоструйного и плазменного напыления   
порошковой металлургии 
............................................................. 149 
2.4.2 Исследование механизма напыления влажной шихты  
на шихтовый гарнисаж окомкователя ........................................ 155 
2.4.3 Исследование геометрических и прочностных параметров 
напыленного слоя шихты, сформированного на шихтовом 
гарнисаже окомкователя .............................................................. 176 
2.4.4 Исследование механизма формирования и уплотнения  
шихтового гарнисажа и напыленного слоя при загрузке 
шихты в окомкователь .................................................................. 182 
2.4.5 Исследование механизма влагоудаления из напыленного  
слоя шихты на тарельчатом окомкователе 
................................... 190 
2.5 Исследование процесса получения железорудных окатышей 
способом принудительного зародышеобразования  
на тарельчатом окомкователе ................................................................ 200 
2.5.1 Разработка и исследование теплосиловых режимов 
принудительного зародышеобразования……………… ..... ...….200 
 
4 
 

 
2.5.2 Перспективные схемы напыления шихты на гарнисаж 
окомкователя и деления напыленного слоя на зародыши 
........ 206 
2.5.3 Исследование капиллярной пропитки шихтовых 
зародышей, сформированных по технологии  
принудительного зародышеобразования 
.................................... 223 
2.5.4 Исследование процесса получения окатышей  
комбинированным способом, структурно содержащим 
принудительное зародышеобразование напылением 
шихты сжатым воздухом.............................................................. 225 
2.5.5 Обоснование оптимальных параметров  
зародышеобразования и условий увлажнения 
........................... 232 
 
3 ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И  
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ 
ОКАТЫШЕЙ, СТРУКТУРНО СОДЕРЖАЩЕГО 
ОПЕРАЦИЮ НАПЫЛЕНИЯ ВЛАЖНОЙ ШИХТЫ   
НА КОМКУЮЩИЕСЯ МАТЕРИАЛЫ ............................................................ 239 
3.1 Исследование процесса взаимодействия воздушношихтовой 
струи и слоя влажных окатышей в рабочем пространстве 
окомкователя ........................................................................................... 239 
3.1.1 Силовое взаимодействие воздушношихтовой струи и ее  
структурных составляющих со слоем влажных окатышей ...... 239 
3.1.2 Особенности взаимодействия струи сжатого воздуха и слоя 
пересыпающихся влажных окатышей в окомкователе… ... ......249 
3.1.3 Влияние характера реакционной поверхности  
окомкователя на прочность железорудных окатышей, 
ускоренных сжатым воздухом ..................................................... 264 
3.1.4 Измерение скорости окатышей, ускоренных струей  
сжатого воздуха на тарельчатом окомкователе ......................... 269 
3.2 Формирование окатышей напылением влажной шихты на слой 
комкуемых материалов в рабочем пространстве окомкователя ........ 273 
3.2.1 Исследование механизма напыления влажной шихты  
на слой железорудных окатышей………………………… 
…….273 
3.2.2 Исследование технологии напыления влажной шихты  
на слой железорудных окатышей ................................................ 277 
3.2.3 Перспективные схемы напыления шихты на комкующиеся 
материалы в рабочей зоне окомкователя 
.................................... 287 
3.3 Устранение поверхностных дефектов влажных окатышей 
напылением шихты воздушношихтовыми струями 
............................ 293 
3.3.1 Анализ причин образования дефектов и механизм 
образования трещин на поверхности сырых окатышей 
............ 293 
3.3.2 Устранение дефектов на поверхности сырых окатышей 
напылением шихты на слой комкуемых материалов ................ 296 
 
5 
 

 
3.4 Сравнительная оценка термостойкости и кинетики сушки  
железорудных окатышей, полученных с использованием  
теплосилового напыления  влажной шихты ...................................... 300 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................. 310 
 
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 
................ 312 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ......................................................... 314 
 
6 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
В монографии предпринята попытка обобщить современный опыт окомкования дисперсных железорудных материалов и проанализировать собственные разработки автора в этой области знаний. Актуальность этой проблемы 
обусловлена необходимостью переработки огромных объемов дисперсных рудных материалов различного технологического происхождения и целесообразностью их использования в окускованном виде. Окускование - технологическая 
операция, направленная на получение из дисперсных материалов прочных кусковых продуктов в форме агломератов, брикетов и окатышей, позволяющих их 
транспортировать на большие расстояния без потери ими потребительских 
свойств и успешно перерабатывать в конкретном технологическом производстве. На первом месте по объему переработки находятся железо- и металлосодержащие рудные материалы: дисперсные пылеватые руды, концентраты, шламы и просыпи, пыли газоочисток металлургической промышленности. На втором месте находятся нерудные материалы, которые прямо или косвенно связаны с металлургическим производством. Это пылеватый уголь и кокс, керамические и огнеупорные материалы, которые широко используются в металлургических технологиях. Значительное количество дисперсных материалов подвергают окускованию в топливной, химической, кондитерской и строительной 
промышленности. Производят окускованные продукты в сельском хозяйстве. 
Процессы этих технологий, получаемые продукты и терминология могут отличаться от металлургических. Готовой продукцией этих производств являются 
брикеты, блоки, кирпичи, гранулы, таблетки, аглопориты, керамзитовый гравий. В металлургических технологиях окускования первичной технологической 
операцией является окомкование. Это процесс формообразования дисперсной 
массы способом окатывания, сопровождаемый получением продукта по форме, 
близкой к сферической, с минимально необходимой прочностью. В производстве окатышей и агломерата окомкование шихты обязательно, в брикетировании оно может быть вспомогательным процессом. Если в процессе окомкования получаемый продукт набирает необходимую заданную прочность в процессе формообразования, то в этом случае окомкование сопровождается окускованием. В большинстве случаев комкуемый материал имеет температуру окружающей среды, но в технологиях горячего окомкования его требуется предварительно расплавить до жидкотекучего состояния. В начале XXI века появились комбинированные технологии, сочетающие окомкование с другими видами формообразования. Его совмещают с брикетированим, экструзией, напылением. Продуктами являются аглоокатыши, брикеты на основе гранул, окатыши, 
сформованные на зародышевых брикетах. 
В монографии представлены результаты научных исследований и технические разработки автора в области техники и технологии окомкования тонкодисперсного железорудного сырья, посвященные новой технической концепции 
структурообразования в производстве железорудных окатышей. В основе этой 
7 

 
концепции лежит использование известных физических воздействий, позволяющих получить новый, более качественный и оригинальный, технический  
эффект в процессе окомкования дисперсных материалов и в ходе транспортировки влажных окатышей на конвейерной ленте. Это дает основание утверждать о расширении функциональных возможностей агрегатов для получения 
сырых окатышей и систем для перемещения окомкованного сырья по технологическому тракту. 
Целью настоящей монографии является попытка научного анализа и технического обоснования эффективности использования теплосиловых и динамических методов воздействия на сырые тонкодисперсные железорудные материалы и окатыши на низкотемпературной стадии производства, позволяющие организовать предварительное влагоудаление и регламентированное упрочнение, 
формо- и структурообразование окатышей в окомкователях и в устройствах  
для их транспортировки. Большинство технических решений в рамках этой 
концепции являются оригинальными авторскими разработками. Они обладают 
новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью.  
Многочисленные способы окомкования, термообработки и устройства для получения окатышей защищены автором как объекты интеллектуальной собственности. 
Вся информация, представленная в монографии, опубликована в рецензируемых периодических изданиях РФ, бюллетенях изобретений, некоторые 
научные статьи переведены за рубежом. Автор благодарит рецензентов за ценные замечания, сделанные при рецензировании научных статей, и рецензентов 
настоящей монографии. Некоторые научные результаты, опубликованные  
в монографии, несомненно, дискуссионные и заслуживают обсуждения уважаемых читателей. Конструктивные пожелания читателей, безусловно, будут 
учтены при подготовке нового издания. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 
 

 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Важнейшей проблемой современной техники является тема энерго- и ресурсосбережения, которая структурно связана с созданием малоотходных, высокопроизводительных и энергоэффективных производств. В основе этих производств лежат технологии, позволяющие выпускать конкурентную продукцию 
высокого качества с низкой себестоимостью. Это в полной мере относится  
к металлургическим технологиям, направленным на производство металлопродукции высокого качества. 
Классическая схема производства первичного металла в черной металлургии включает добычу минерального сырья, его переработку и обогащение, 
подготовку обогащенного минерального и техногенного дисперсного сырья с 
получением окускованного продукта и проплавку его в шахтной печи. Технология подготовки железорудного сырья к металлургической плавке является важным и необходимым звеном современного металлургического производства,  
на котором формируются его потребительские свойства. Существуют три основных способа окускования пылевидной рудной мелочи и тонкоизмельченных 
железорудных концентратов: агломерация, брикетирование и производство 
окатышей. Производство окатышей и агломерата невозможно без техники 
окомкования. В некоторых режимах брикетирования также предложено использовать окомкованные тонкодисперсные продукты. Технология окускования 
тонкого железорудного сырья в производстве окатышей включает две основные 
стадии: получение прочных сферических тел путем окомкования (окатывания) 
влажной шихты и высокотемпературный обжиг высушенных окатышей. Пройдя этап подготовки, окускованные материалы должны обеспечивать высокую 
механическую прочность, необходимую для длительной транспортировки сырья к потребителям на большие расстояния, стабилизировать аэродинамику 
слоя шихтовых материалов при последующей интенсивной восстановительнотепловой обработке и обладать оптимальным химико-минералогическим составом. Широко используются технологии окомкования в цветной металлургии,  
в строительной и химической промышленности. В последней отрасли для процесса формообразования чаще используют термин гранулирование, устрой- 
ства - грануляторы, а получаемые продукты - гранулы. Технику гранулирования используют для производства керамических, угольных и графитовых гранул, для горячего окомкования расплавленных металлургических шлаков.  
Металлургические свойства окускованного сырья включают комплекс 
механических, прочностных, теплофизических и химико-минералогических характеристик, обеспечивающих стабильную проплавку сырья в металлургических агрегатах. Эти свойства особенно важны для доменного передела и процессов металлизации сырья в технологиях прямого получения железа. В этих 
технологиях существует проблемы уменьшения пылевыноса с разупрочняющимся окускованным сырьем и снижения потерь сырья в виде шламов, повышения равномерности газораспределения, снижения расхода восстановителей  
9 
 

 
и существует возможность решения сопутствующих проблем, повышая качество сырья на этапе его подготовки. Сложность проблемы повышения качества 
сырья заключается в том, что целенаправленное воздействие на потребительские свойства окускованных продуктов введением органических и минеральных добавок в их шихту ограничивается высокими требованиями по чистоте 
минерального состава и запретом на снижение содержания полезного компонента. Одновременно с этим возникает проблема корректировки режима термообработки на теплотехническом агрегате.  
Основными техническими и научными направлениями для улучшения 
металлургических свойств окатышей являются комплексные мероприятия, реализуемые на обжиговой конвейерной машине на стадии термообработки с использованием теплотехнических методов воздействия (научные школы  
НИТУ «МИСиС», ФГАОУ ВО «УрФУ», Института металлургии УрО РАН,  
ОАО «ВНИИМТ», НПВП «ТОРЕКС», ОАО «Уральский институт металлов», 
специалисты промышленных предприятий и других научных и учебных заведений). При этом в технике и технологии окомкования практически нет прорывных решений, позволяющих качественно изменить структуру производства 
и выйти на выпуск сначала окомкованного, а затем и окускованного продукта с 
регламентированными свойствами.  
В большинстве случаев показатели качества окускованного сырья удовлетворяют современным стандартам и техническим условиям, но для некоторых видов сырья, в частности для железорудных окатышей, существуют резервные возможности для совершенствования техники и технологии производства и улучшения их металлургических свойств. Одним из резервных направлений совершенствования технологии производства окатышей является перенос части тепловой 
нагрузки с высокотемпературной стадии производства на низкотемпературную 
(сырую) область и организация теплосиловой обработки сырых материалов на 
этой стадии производства. Это направление сформулировано и экспериментально 
обосновано автором монографии и реализовано на опытном производстве. Результатом внешнего низкотемпературного теплосилового воздействия на сырые 
шихтовые материалы в рабочем пространстве агрегатов для получения сырых 
окатышей являются более высокие металлургические характеристики окатышей и 
показатели регламентированного формо- и структурообразования. Эти задачи 
можно реализовать в рабочем пространстве окомкователей, расширив их функциональные возможности и придав им дополнительные функции целенаправленного 
воздействия. Комбинация силового и теплового воздействия на влажные шихтовые материалы позволяет объединить формообразование, упрочнение и предварительное влагоудаление, вовлечь в технологический процесс холостые площади 
окомкователей и использовать надслойное пространство конвейерных лент для 
струйной тепловой обработки окатышей. Технологическая доступность к агрегатам для получения окатышей, резервы их рабочего пространства, широкие технические возможности методов теплосилового воздействия, простота аппаратурного 
оформления, безопасность, экологичность позволяют в определенной степени решать технические и экономические проблемы как в производстве железорудных 
10