predavanje_10_osnove_sinteriranja

PRIPREMA MINERALNIH SIROVINA OSNOVI AGLOMERIRANJA

M. Petrović

1

4. SINTERIRANJE 4.1 POVIJESNI RAZVOJ I ZNAČAJ POSTUPAKA SINTERIRANJA

Okrupnjavanje sitnozrnih ruda i koncentrata zagrijavanjem do

temperature površinskog taljenja (temperature sinteriranja) na kojoj se zrna slijepljuju u čvrste, ali porozne aglomerate, tzv. sinter (od srednjovisoko-njemačkog sinter, sinder žeravica, troska. Sinteriranje je jedan od vidova okrupnjavanja sitnih ruda i koncentrata u dovoljno krupne i ujednačene, po kemijskom sastavu, porozne komade-sinter. Do okrupnjavanja dolazi djelomičnim taljenjem čestica rude, toplotom oslobođenom pri sagorijevanju goriva iz mješavine kroz koju se usisava zrak. Okrupnjavanje ruda termičkim putem može se proizvesti u određenom stanju, u cjevastim obrtnim pećima, propuštanjem zraka kroz naslage slijepljene mase itd. Široku primjenu ima posljednji način s propuštanjem vrelog zraka kroz naslage slijepljene mase.

F.Heberlein i T.Huntington prvi su 1897. u Engleskoj primijenili

sinteriranje za aglomeracijsko prženje u oplemenjivanju sulfidnih ruda i koncentrata. W.Job je predložio (1902) da se u mješavinu za sinteriranje piritnih izgorjelina dodaje i ugljen, a E.J.Savelsberg već 1905. predlaže da se sitnež željezne rude sinterira u mješavini sa sitnim ugljenom i koksom. A.S. Dwight i R.L.Lloyd uveli su 1907. traku za sinteriranje ruda bakra, a zatim i primjenu podtlaka za usisavanje zraka i drugih plinova koji mogu biti potrebni za reakcije pri sinteriranju kroz rudnu posteljicu. Prvo industrijsko postrojenje za sinteriranje tipa Dwight-Lloyd uvedeno je 1911. u SAD, a 1914. je J.E. Greenavvalt patentirao pravokutnu posudu, tavu, za sinteriranje.

Osobito i vrlo važno područje sinteriranja čine mnogobrojni procesi za

dobivanje proizvoda aglomeracijskim oblikovanjem od metalnog ili nemetalnog praha. Za takve postupke koriste se nazivi sinterska metalurgija ili metalurgija praha.


M. Petrović

2

Velik razvoj sinterske metalurgije bio je uvjetovan naglim razvojem automobilske industrije, a nakon Drugog svjetskog rata razvojem svemirske i nuklearne tehnike, Danas se proizvodi mnoštvo izradaka od željeznog i bakrenog praha, od praha tvrdih metala (volframa, molibdena, niobija, kroma, titana) i metala koji služe u nuklearnoj tehnici (berilija, urana, cirkonija, torija, tantala).

Sinteriranje je često potrebno u preradi sitnozrnih ruda i koncentrata, npr. kad se uslijed tog svog svojstva ili ne mogu preraditi ili se prerađuju s velikim teškoćama nekim specifičnim procesom. Među ostalim, oni se teško transportiraju, uzrokuju velike gubitke prašenjem, njihovi slojevi pružaju prevelik otpor strujanju plinova, imaju loša nasipna svojstva i sl. Kako je, osim toga, temperatura površinskog taljenja obično 1000 oC ili viša, pri sinteriranju se iz sirovine često izdvajaju i štetne i nepoželjne tvari, npr. kristalna voda, ugljik-dioksid iz karbonata, sumpor i arsen, a dobiva se porozan sinter.

Tehnologija dobivanja željeza u velikoj mjeri se bazira na sinteru kao

osnovnoj komponenti rudnog dijela zasipa visoke peći. Sinteriranje željezne rudače najrasprostranjeniji je postupak sinteriranja; otprilike 70 % zasipne mješavine visoke peći se koristi u obliku sintera. Pri tome se udjel sintera povećava u odnosu na druge aglomerate. Korištenje sintera u zasipu visoke peći znatno utječe na njen rad. Povećava se plinopropustljivost stuba materijala po presjeku u visokoj peći, poboljšava se iskorištenje toplotne energije i redukcijska sposobnost plina, smanjuje se iznošenje sitnih čestica rude plinovima iz visoke peći, poboljšava se proces formiranja troske i prevođenje sumpora u trosku. Korištenje sintera u zasipu visoke peći znatno povećava njenu proizvodnost, smanjuje utrošak koksa i povećava kvalitetu željeza.

Osnovne komponente za proizvodnju aglomerata iz željezno-rudnih

koncentrata su: koncentrat (40÷50 %), vapnenac (15÷20 %), sitni aglomerat (-20 mm, 30 %), koksna sitnež (4÷6 %), vlaga (6÷9 %). Vapnenac i koksna sitnež se, prije miješanja s drugim komponentama, melju do granulacije - 3 mm. Maksimalni promjer čestica rude u smjesi ne smije biti veći od 8 do 10 mm. Ako pržimo sitno samljeveni koncentrat (75 %, - 0,074 mm), smjesi se mora dodati 20÷25 % rude krupnoće 6÷8 mm. Nakon prvog miješanja smjesa se nakvasi, opet izmiješa, peletira i podvrgava termičkoj obradi. Nakon predhodnog hlađenja proizvod se drobi i šalje na prosijavanje da bi se odvojila klasa –8 +0 mm. Aglomerat, krupnoće +8 mm, dalje se hladi i prosijava. Nakon prosijavanja, aglomerat klase +50 mm i –50 + 13 mm se šalje u visoke peći, a klasa –13 +8 mm, se koristi za formiranje kvalitetne posteljice u sinter stroju.


M. Petrović

3

I u proizvodnji nekih građevnih materijala sinteriranjem se aglomerira uz istodobne kemijske reakcije. Tako se, npr., sinteriranjem, koje se naziva pečenjem, oblikuju crepovi i opeke, te keramički proizvodi. U proizvodnji nekih drugih materijala sinterira se samo radi ostvarivanja kemijskih reakcija, npr. u proizvodnji cementa.

Međutim, u proizvodnji cementa i lakih građevnih materijala procesi

sinteriranja odvijaju se u reakcijskim pećima, pa se tada govori o pečenju, a u proizvodnji glinice o kalcinaciji, a ne o sinteriranju.

4.2 SINTERIRANJE U EKSTRAKTIVNOJ METALURGIJI Pod sinteriranjem se općenito podrazumijeva termičko zgrudavanje finih

čestica rudače. Proces sinteriranja može biti shvaćen kao proces sagorijevanja nasipa koji gori otežano uslijed neznatnog udjela zapaljivog materijala. Sagorijevanje jednog takvog nasipa se može postići samo vještački, npr. uz usisavanje zraka. Time u nasipu dolazi do turbulentnog pokretanja zraka, koje znatno povećava konvektivnu prenosivost toplote.

Proces sinteriranja se inicira paljenjem površine nasipa pri istodobnom usisavanju zraka. Nakon paljenja zrak se nadalje usisava kroz nasip. Pri tome zrak preuzima dio toplote iz područja sagorijevanja i prenosi na donje, hladnije zone te one bivaju zapaljene.

Sinteriranje se danas najviše primjenjuje u oplemenjivanju željeznih ruda, a dominiraju strojevi tipa Dwight-Lloyd, kojima se dobiva više od 95% svjetske proizvodnje sintera.

Pri sinteriranju se sitnozrnasti materijali, koji sadrže željezo kao što je fina rudača i otpadni proizvodi različitih proizvodno-oplemenjivačkih procesa miješaju s čvrstim gorivima (uglavnom koks), vodom, dodacima i povratnom sirovinom, paketiraju na jednu rešetku i pale na površini. Istodobno se s površine usisava struja zraka kroz šaržu (depresijsko sinteriranje) ili istiskuje (kompresijsko sinteriranje).

Klasični postupak, depresijskog sinteriranje, danas se primjenjuje samo

još pri sinteriranju olovne rudače. Novija istraživanja se bave kompresionim sinteriranjem radi boljih vrijednosti otprašivanja, veće zaštite dijelova kompleksa od agresivnih plinova i bolje provjetrenosti naslage.


M. Petrović

4

4.3 PROCES SINTERIRANJA

Mješavina za sinteriranje sastoji se od rude ili koncentrata, dodataka i povratnog sintera. Dodaci su topitelj (vapnenac, dolomit ili vapno) i gorivo (sitni koks ili ugljen). Udjel goriva čini 4÷10 % mase mješavine. Povratak (posteljica) se dodaje radi bolje propusnosti šarže, ali u ograničenim količinama, da se previše ne smanji proizvodnost postrojenja.

Granulometrijski sastav mješavine, osobito je važan za proizvodnost. Maksimalna veličina zrna ne treba biti veća od 6 mm, a za dodatke je optimalna 2÷5 mm. Ako su zrna manja od l mm, za preradu je potrebno njihovo okrupnjavanje. To se čini mikropeletiranjem u bubnjevima. Pritome, što su rudna zrna veća, veća je i propusnost njihovih slojeva za plinove i vertikalna brzina sinteriranja. Na propusnost plina utječe i bazičnost sintera. Bazični sinter ima nekoliko puta veću propusnost od kiselog ili neutralnog sintera, jer je u kiselom sinteru veći udjel silikata, a uslijed toga se više materijala rastali i djelomično zapuni pore. Zato se korištenjem bazičnoga umjesto kiselog sintera povećava proizvodnost stroja za 10÷12 %.

Pri kontinuiranom sinteriranju u postrojenjima s rešetkastom trakom (slika 150) na nju se najprije nanosi tanki sloj povratnog sintera (posteljica) veličine zrna 10÷20 mm, pa ovlažena i promiješana mješavina s udjelom vlage od 4÷6 %. Zadatak je posteljice spriječiti propadanje mješavine kroz traku i zaštititi posljednju rešetku od visokih temperatura. Sloj mješavine na posteljici može biti visok 180÷500 mm, a najčešće je 250÷400 mm. Ekshaustorom se ispod rešetke proizvodi podtlak od 4÷16 KPa. Time se u mješavinu usisava za sagorjevanje neophodno potreban zrak. Proces započinje paljenjem mješavine plinom ili električnom energijom i njezinim zagrijavanjem na temperaturu od 1200÷1400 °C. Proces paljenja traje jednu do dvije minute i završava se čim se na površini nasipanja, spaljivanjem koksa, formira stabilna zona gorenja (zona sinteriranja). Zona gorenja se onda pomjera u smjeru strujanja zraka. U zoni sagorijevanja događaju se procesi predkristalizacije minerala. Fizikalno-kemijska svojstva određuju se temperaturom u toj zoni. Iznad zone sagorijevanja nalazi se gotov aglomerat kroz koji prodire zrak. Hladeći aglomerat, zrak se zagrijava. Toplota zraka koristi se u donjoj zoni sagorijevanja gdje je temperatura 1400÷1600°C. Zona gotovog aglomerata smatra se završnim termičkim procesom. U toj zoni dio magnetita prelazi u hematit (slika 150). Pri tome dolazi do spajanja čestica željezne rudače uslijed promjena mjesta atoma, rasta zrn, omekšavanja površine čestica i stvaranja troske. Ovaj proizvod se zove sinter željezne rudače.


M. Petrović

5

Ukoliko se sinteriranje provodi u čvrstom stanju, tj. bez taljenja, onda se govori o crnom ili rekristaliziranom sinteru.

Tijekom procesa sinteriranja podtlak pod trakom osigurava još i

prolaz plinova od izgaranja kroz mješavinu i time njeno predgrijavanje izmjenom njihove toplote. Vertikalna je brzina takvog sinteriranja 25 mm/min, pa je potrebno 10÷15 min da se zona izgaranja premjesti od površine do posteljice. Nakon padanja s kraja trake gotovi se sinter drobi i klasira. Povrat čine frakcije s česticama manjim od 5 mm. Frakcije s česticama većim od 5 mm otpremaju se na dalju preradu ili na uskladištenje

Slika 150. Karakteristične zone sinteriranja

Takvo vođenje sinteriranja uvjetuje specifičnu raspodjelu procesne

temperature (slika 151). Pritom brzina procesa uglavnom ovisi o količini zraka koja se dovodi mješavini ili o udjelu kisika u zraku ako se koristi kisikom obogaćeni zrak. Povećanjem količine mješavine dovedenog zraka intenzivira, se ne samo, izgaranje goriva nego i izmjena toplote. Postoji linearna ovisnost između količine zraka i vertikalne brzine sinteriranja, koja je proporcionalna propusnosti mješavine za plin. Proizvodnost (kapacitet) stroja za sinteriranje može se poboljšati povećanjem propusnosti mješavine za plin uz isti podtlak.

Propusnost mješavine za plin raste i s povećanjem njene vlažnosti, ali

samo do određene, optimalne, vrijednosti (slika 152). Podtlak pod slojem mješavine koji je potreban za proces, proporcionalan je visini njenog sloja. Pri konstantnom podtlaku s povećanjem visine sloja smanjuje se količina usisanog zraka i vertikalna brzina sinteriranja. Međutim, time se povećava i temperatura dovedenog zraka u procesnoj zoni, tj. povećava se dovođenje toplote. Time se povećava temperaturna razina procesa i poboljšava kvaliteta sintera. Prema tome, povećanje debljine sloja dvojako utječe na proces: smanjuje se vertikalna brzina sinteriranja i dobiva se kvalitetniji sinter


M. Petrović

6

Slika 151. Shematski presjek po visini sloja i temperaturni profil u različitm fazama

Konačni učinak ovisi o međusobnom odnosa tih faktora. Noviji se

postupci sinteriranja vode pod većim podtlakom (20 kPa i više). Izgaranje goriva odvija se u uskoj zoni debljine manje od 20 mm (slika 153). Temperatura paljenja koksa je 700÷750 °C, a antracita 750÷800 °C. Korištenjem koksa postiže se temperatura do 1400 °C, a proces izgaranja prestaje kad udjel kisika u mješavini za sinteriranje postane manji od 5÷6 %. Vertikalna brzina sinteriranja proporcionalna je koncentraciji kisika, pa se obogaćivanjem zraka kisikom može povećati proizvodnost stroja za sinteriranje.

a) paljenje mješavine

b) stanje nakon 1 ÷ 2 min.

c) stanje nakon 8 ÷ 10 min.

d) završetak procesa 1-zona sinteriranja 2-zona zagrijavanja i sušenja 3-zona (hladne) mješavine 4-posteljica 5-zona gotovog sintera


M. Petrović

7

Slika 152. Ovisnost relativne propusnosti sloja od vlažnosti, ako je indeks

propusnosti suhe mješavine 1 Važnu ulogu u procesu sinteriranja igra brzina žarenja koja ovisi o

propuštanju plina kroz smjesu. Pod brzinom žarenja (sinteriranje) podrazumijeva se srednja brzina (c), s kojom se zona gorenja pomjera od vrha šarže do dna posteljice, c = H/t, (mm/min) pri čemu je: H–visina užarenog sloja (mm), t–vrijeme žarenja (sinteriranja) (min). Slika 153, pokazuje pomjeranje maksimalne temperature u sinternom nasipu; parametar je pri tome vrijeme (t).

Slika 153. Pomjeranje maksimalne temperature sinteriranja u ovisnosti o visini sinter nasipa

H1 = 55 mm T1 = 100 oC H2 = 105 mm T2 = 550 oC H3 = 155 mm T3=1250 oC H4 = 205 mm T4=1400 oC


M. Petrović

8

Ove krivulje su rezultat vrednovanih mjerenja u sinternoj smjesi. Povuče li se prava paralelno uz ordinatu, npr. pri t = 10 min, onda se dobivaju različite temperature za različita mjesta.

Uzme li se T = f (H), odnosno T = f (x) i parametar t ( vrijeme ), onda

za različita vremena dobivamo sljedeće zone sinteriranja (slika 154).

Slika 154. Shematski prikaz idealiziranog procesa sinteriranja Svi procesi koji su prikazani na slici 154, odvijaju se istodobno. Proces

sinteriranja se može opisati sa stajališta hlapljenja vode. Zrak predaje, u ovoj zoni, svoju toplotu. Uslijed hlađenja zraka ovdje se može kondenzirati vodena para koja se transportira sa zrakom iz gornjih zona. Ovdje se odvija jedan stalni proces kondenziranja i destiliranja vode.

U normalnim uvjetima se održava ravnoteža između vode koja isparava

i koja se kondenzira; otuda naziv zona izjednačavanja (zona V). Ukoliko se kondenzira više vodene pare nego što ishlapi vode, u ovoj zoni može doći do pojave mulja. Iz toga rezultirajuća loša propustljivost plina često je uzrok nedovoljnog sinteriranja.

Do ove situacije može doći u slučaju kada je materijal previše vlažan ili

u slučaju kada je zrak koji prolazi kroz materijal previše hladan. Uslijed toga temperatura u ovoj zoni treba uvijek biti iznad točke rosišta vode ( 60 oC ). U zoni IV je zrak topliji nego u zoni V. Ovdje isparava mehanički vezana voda. U zoni III se vrši izdvajanje kristalne vode.

0 - zona hlađenja I - zona sagorijevanja i sinteriranja

II - zona reagiranja i kalciniranja III - zona hidratne vode zona cijepanja vode IV - zona sušenja V - zona izjednačavanja

- X →-∞ + X →+∞


M. Petrović

9

U zoni II, uslijed djelovanjem visokih temperatura, započinje razlaganje

vapnenca i magnezita koji ulaze u sastav aglomeracijske smjese po sljedećim jednadžbama:

CaCO3 = CaO + CO2 – (966 · 418 [J/kg] CO2) (4.1)

MgCO3 = MgO + CO2 – (551 · 418 [J/kg] CO2). (4.2) Siderit disocira po reakciji:

FeCO3 = FeO + CO2 – (489 · 4186 [J/kg] CO2). (4.3) Jedna od najštetnijih primjesa u željeznim rudama je sumpor, koji posjeduje svojstva pucanja, prskanja i rušenja pri toplim postupcima obrade metala. Zato sadržaj sumpora u livenom željezu ne treba prelaziti 0,07 %. Sumpor se u smjesi pojavljuje obično u vidu sulfata CaSO4·2H2O (gips) i BaSO4 (barit). U uvjetima sinteriranja, iz pirita se izdvaja sumpor pri temperaturi od 1000°C: 3FeS2 + 8O2 = Fe3O4 + 6SO2 (4.4)

2SO2 + O2 = 2SO3 (4.5) Gips, anhidrit i barit se razlažu na temperaturi od 1100 °C do 1200 °C. Reakcije izgledaju ovako:

CaSO4 = CaO + SO2 + 21 O2 (4.6)

BaSO4 = BaO + SO2 21

+ O2 (4.7)

Arsen se nalazi u željeznim rudama, uglavnom u vidu arsenopirita, FeAsS ili lelignita, FeAs2, koji se u uvjetima sinteriranja djelomično razlažu formirajući hlapljivi trioksid arsena: 2FeAsS + 5O2 = Fe2O3 + As2O3 + 2SO2 (4.8) U procesu je moguće izdvojiti i do 20÷65% cinka i do 90 % olova, dodavanjem u smjesu CaCl2. Fosfor se u uvjetima sinteriranja ne izdvaja. Sagorijevanje se odvija onda kada je dovoljna toplota koja se predaje od strane zraka, da bi se povećala temperatura u zoni sagorijevanja iznad temperature paljenja nasipa sintera; ona leži uglavnom izmedu 1050 i 1150 oC. U industrijskoj praksi potrebna je temperatura od oko 1150 oC za paljenje sintera.


M. Petrović

10

Ova temperatura paljenja je veća nego normalna temperatura paljenja koksa u slobodnoj atmosferi, jer je koks ukopan u rudači, toplota se odvlači od komada rudače koji se nalazi oko koksa, zrak za sagorijevanje nema pristup koksu i plin koji protječe na točki paljenja (Tz) sadrži samo malo kisika ( 4 % ), jer se najveći dio kisika već troši u zoni sagorijevanja. Sagorijevanje je teorijske završeno kada je i zadnji grumen koksa u cjelosti sagorio. U praksi, gotovi sinter sadrži još 0,1 do 0,5 % koksa. Potom se sinter hladi zrakom. Krivulja hlađenja je prikazana u zoni 0.

4.3.1 VALOVI TOPLOTE

Kod sinteriranja se uglavnom pojavljuju tri toplinska vala, koji se naizmjenično nadopunjuju, odnosno preklapaju:

• produkcija toplote • konvektivno prenošenje toplote • prenošenje toplote raznim vodovima.

Toplinska linija u procesu sinteriranja igra nevažnu ulogu. Način

raspodjele temperature u sloju za sinteriranje za vrijeme sinteriranja ovisan je o jednoj od gore spomenutih veličina. Nastoji se ostvariti što oštriji temperaturni vrh. Ovo se može ostvariti višom temperaturom paljenja goriva i idealnim preklapanjem utjecajnih sfera. Uslijed tromosti koksa da stupi u reakciju može se ograničiti i sama zona sagorijevanja (slika 155).

Slika 155. Raspodjela temperature u naslazi za sinter pri upotrebi goriva različitih

reaktivnosti i temperatura paljenja


M. Petrović

11

Nasuprot tome, drveni ugljen posjeduje visoku reaktivnost i pali se već pri relativno niskim temperaturama. Kod sinteriranja s drvenim ugljenom potrebna je veća količina goriva nego kod primjene koksa; prema tome, proizvodnost ovakvog stroja je veoma mala.

Prema ovom prikazu, na kvalitetu sintera odlučujući utjecaj ima visina

maksimalne temperature. Odlučujuća činjenica za sinteriranje je i brzina pomjeranja maksimalne temperature, koja je opet uvjetovana konvektivnim prijenosom toplote (slika 156). Pri ovom se gornja polovica jedne tave za sinteriranje napuni normalnom smjesom za sinteriranje, a donja polovica magnetitnim nasipom bez goriva.

Slika 156. Pomjeranje maksimuma temperature kroz normalnu smjesu sintera i

magnetitski nasip bez goriva. Konstantni podtlak rezultira u gornjoj polovici tave brzinu pomjeranja

maksimalne temperature od 1,8 cm/min, dok u donjoj polovici ona iznosi 1,7 cm/min. Ovo dokazuje da pri sagorijevanju brzina pomjeranja maksimalne temperatureature ima sekundarnu ulogu. Uslijed spoznaje da je brzina zraka, uglavnom, odgovorna za konvektivni prijenos toplote, pomjeranje maksimuma temperature u donjoj krivulji mora protjecati sporije, a pad temperature na svakoj mjernoj točci mora biti uravnotežen. Temperaturni val treba proći kroz naslage nasipa bez smanjivanja najveće moguće temperature. Da bi smo ovo postigli, potrebno je osigurati kontinuirani dotok toplote. Temperatura paljenja je obično ispod temperature sinteriranja, tako da dovedena toplota mora dovesti prisutni materijal do temperature sinteriranja.


M. Petrović

12

4.3.2 FIZIKALNO-KEMIJSKI PROCESI U SINTER MJEŠAVINI

U mješavini se, u ovisnosti o temperaturi, odvijaju fizikalno-kemijski

procesi, uzrokujući transformaciju komponenti prisutnih u mješavini. To su:

• razgradnja hidrata i karbonata, • oksidacijsko-redukcijski procesi, • reakcije među čvrstim česticama.

Razgradnja hidrata. Većina mješavina za sinteriranje sadrži hidrate

željeznih oksida i hidratnu vodu minerala jalovine. Pri zagrijavanju na temperature do 300 °C minerali gube vodu. Hidroksilne skupine (—OH) napuštaju kristalnu rešetku na temperaturama do 1000 °C. Dehidratiranje se završava u zoni sušenja i predgrijavanja. Vrlo je nepovoljno ako se taj proces odvija u zoni izgaranja, što je redovito u mješavini s krupnijom rudom. Tada se smanjuje temperatura u zoni izgaranja i povećava utrošak goriva.

Razgradnja karbonata započinje na temperaturi višoj od 400 °C raspadanjem siderita (FeCO3), a završava se na temperaturi 895 °C raspadanjem kalcij-karbonata (CaCO3). Reakcije su endotermne, a završavaju se za 3÷4 minute. Dodatkom vapnenca krupnoće manje od 2 mm povećava se brzina razgradnje, pa to pospješuje sinteriranje.

Oksidacijsko-redukcijski procesi ovise o količini kisika u oksidima mješavine. U sinteriranju željeznih ruda procesi započinju termičkom disocijacijom pojedinih oksida, a temperatura ovisi o koncentraciji kisika u sloju.

Osim disocijacije, zbivaju se i procesi redukcije željeznih oksida djelovanjem ugljik-monoksida i ugljika na temperaturama nižim od temperature disocijacije. To su sljedeći redukcijski procesi: 3Fe2O3 + CO→2Fe3O4 + CO2, (4.9) Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2, (4.10) FeO + CO→ Fe + CO2, (4.11) FeO + C^Fe + CO. (4.12)

Endotermne su reakcije (4.9), (4.19) i (4.12).

Porastom potrošnje goriva povećava se broj mikrozona u kojima dominira redukcijska atmosfera. Stoga je temperatura redukcijskih procesa u direktnoj funkcionalnoj ovisnosti o utrošku goriva.


M. Petrović

13

Uslijed toga s porastom utroška goriva raste udjel ugljik-monoksida pa se željezni oksidi intenzivnije reduciraju uz povećanje udjela oksida Fe3O4 u gotovom sinteru, a može se pojaviti i metalno željezo. Takav je sinter vrlo čvrst, ali je manje reaktivan. Ta dva svojstva moraju biti uravnotežena, jer ekstremne vrijednosti čvrstoće ili reaktivnosti bitno smanjuju kvalitetu sintera. Ako je udjel goriva u mješavini nedovoljan, u sloju prevladava oksidacijska atmosfera. Tada se pri sinteriranju npr. magnetitnih ruda na temperaturama nižim od 1380 °C u sinteru pojavljuje hematit koji nastaje reakcijom

4Fe304 + 02→ 6Fe203. (4.13)

Oksidaciji su osobito podložni magnetitni koncentrati sitnije granulacije uslijed veće dodirne površine sa zrakom. Kako je proces (5) egzoterman, dobiva se kvalitetan i čvrst sinter iako je udjel goriva u sinteru nedovoljan. Na slici 157 prikazan je mineralni sastav sintera prema udjelu ugljika u mješavini.

Slika 157. Mineralni sastav sintera prema udjelu ugljika u mješavini

Reakcije među čvrstim česticama odvijaju se u zonama predgrijavanja i

izgaranja. Te su reakcije veoma važne za kvalitetu proizvoda sinteriranja, jer neki od proizvoda takvih reakcija utječu na svojstva i kvalitetu gotovog sintera. To su fajalit (2FeO-SiO2), koji nastaje kad je bazičnost mješavine niska i kalcij-ferit (2CaO-Fe2O3), koji nastaje kad je bazičnost mješavine povišena. Ti su minerali eutektičkog sastava s temperaturom taljenja nižom od tališta njihovih komponenti.


M. Petrović

14

4.3.3 MINERALNI SASTAV SINTERA

Mineralni sastav pa i njegova struktura, znatno se razlikuju od mineralnoga sastava koji je imala mješavina prije taljenja. Taj sastav ovisi o bazičnosti nastale taline, jer pri nižoj bazičnosti prevladavaju fajalitne taline, a pri višoj bazičnosti kalcij-feritne taline. Tako se prema karakteristikama mineralnog sastava razlikuju tri skupine sintera.

• U prvu skupinu ubrajaju se sinteri niske bazičnosti (omjer CaO/SiO2 manji od 0,5). Tada u talini prevladava SiO2 koji sa željezo-oksidima tvori fajalit, a gotov sinter ne sadrži kalcij-ferita.

• U drugoj su skupini sinteri s omjerom CaO/SiO2 između 0,5 i 1,0.

Gotov sinter ima nešto više CaO koji na sebe veže SiO2, pa se pojavljuju uglavnom različit kalcij-silikati, dok je mnogo manje fajalita.

• Treću skupinu čine sinteri s omjerom CaO/SiO2 većim od 1,0. Tada

višak CaO veže sav SiO2, pa.ga nema za nastanak fajalita. Kad je omjer CaO/SiO2 veći od 1,5 u sinteru se pojavljuje veća količina trikalcij-silikata (3CaO-SiO:).

4.3.4 KVALITATIVNA SVOJSTVA SINTERA

Uspješnost sinteriranja prosuđuje se prema kemijskom i mineralnom sastavu, čvrstoći, reduktivnosti, poroznosti i mogućnosti mekšanja sintera. Obzirom na kemijski i mineralni sastav sintera od željeznih ruda, kontrolira se udjel željeza, FeO, SiO2, CaO, MgO, A12O3 i sumpora. Promjene udjela metalnog željeza moraju biti u granicama ± 0,50%, promjene udjela SiO2 u granicama ±0,25%, a promjene udjela FeO u granicama ±1,50 %.

Reduktivnost sintera određena je njegovom sposobnošću da u kontaktu s redukcijskim plinom oslobađa kisik. Reduktivnost ovisi o kemijskom i mineralnom sastavu, a osobito o poroznosti. Poroznost sintera iznosi 20÷50 %, a oko 95 % reakcijske površine sintera čine pore promjera manjeg od 0,5 mm. Sinteri s većim udjelom staklastih tvari i fajalita slabije su reaktivni.

Čvrstoća sintera u prvom redu ovisi o potrošku goriva pri sinteriranju. Veći udjel goriva u sloju omogućava stvaranje većih količina taline, uslijed viših temperatura, što povećava čvrstoću sintera.


M. Petrović

15

Na čvrstoću utječe i bazičnost sintera. Veća bazičnost omogućava stvaranje kalcij-silikata, a spriječava formiranje fajalita, pa to povećava čvrstoću sintera. Dodatkom magnezij-oksida, dolomita ili vapnenca povećava se čvrstoća. Čvrstoća sintera određuje se u uvjetima koji vladaju u talioničkim pećima, u prvom redu u visokim pećima (opterećenje, temperatura, sastav redukcijskog plina). Mehanička čvrstoća određuje se ispitivanjem u bubnju koji rotira ili bacanjem s neke određene visine.

Brzina mekšanja određuje se prema trajanju taljenja sintera. Traži se da sinter brzo omekšava i da se vrlo brzo tali, uz uvjet da ima visoku temperaturu taljenja.

predavanje_10_osnove_sinteriranja

Documents