Исследование металлургических свойств железосодержащих брикетов из техногенного и природного сырья с целью повышения эффективности их проплавки в доменной печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Исследование металлургических свойств железосодержащих брикетов из техногенного и природного сырья с целью повышения эффективности их проплавки в доменной печи

Специальность 05.16.02

Металлургия черных, цветных и редких металлов

кандидата технических наук

Большакова Ольга Геннадьевна

Москва - 2008

Работа выполнена на кафедре экстракции и рециклинга черных металлов

Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Курунов Иван Филиппович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Валавин Валерий Сергеевич

кандидат технических наук Плешков Виктор Иванович

Ведущее предприятие: ОАО «Тулачермет»

Защита диссертации состоится « 10 » апреля 2008 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.132.02. при Государственном технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» по адресу: 119049, Москва, Ленинский проспект, д. 6, ауд. А-305

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов»

Автореферат разослан: “3 ” марта 2008 г.

Контактная информация:

Тел.: +79162152355

Факс: +7(495)2304526

e-mail: kanaeva_olga@mail.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук,

профессор, Семин А.Е.

брикет цементный техногенный доменный

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Накопление дисперсных отходов, содержащих железо, углерод и другие полезные элементы, в шламохранилищах и отвалах на территории металлургических предприятий при ощущающемся дефиците доступных природных ресурсов требует комплексного подхода в решении этой проблемы. В настоящее время рециклинг большинства видов таких отходов осуществляется путем их использования в составе агломерационной шихты. Однако применение отходов в качестве компонентов аглошихты ограничено, а некоторых из них вовсе невозможно по технологическим и экологическим аспектам. Кроме того, применение техногенного сырья различного генезиса без возможности дозирования на аглофабриках, не имеющих усреднительного склада, негативно отражается на стабильности состава агломерата.

В части рециклинга железосодержащих дисперсных отходов альтернативой агломерации может быть процесс брикетирования, являющийся более универсальным и менее энергозатратным способом окускования. Благодаря совершенствованию и диверсификации техники и технологии брикетирования, в настоящее время она находит все более широкое применение для утилизации отходов и подготовки сырья для доменной плавки на металлургических заводах как не имеющих аглофабрики, так и имеющих. В связи с этим такое решение проблемы обращения с железосодержащими отходами требует углубления знаний о металлургических свойствах брикетов. В первую очередь это касается получаемых методом вибропрессования брикетов на цементной связке, применение которых в шихте доменных печей ранее широко не практиковалось и их поведение в высокотемпературных восстановительных условиях доменной плавки не изучалось. Назрела настоятельная необходимость изучения превращений, происходящих в брикетах в этих условиях и определяющих их металлургические свойства, как компонентов доменной шихты обычного или специального назначения.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена изучению металлургических свойств брикетов на цементной связке из дисперсных железосодержащих техногенных и природных материалов с целью повышения эффективности их проплавки в доменной печи за счет оптимизации их состава.

Для этого необходимо было изучить факторы, определяющие прочность брикетов при восстановлении, проанализировать влияние брикетов на показатели доменной плавки, а также оценить энергетические затраты на рециклинг дисперсных железосодержащих отходов по альтернативным технологиям.

Научная новизна.

1. Установлено, что необходимая холодная прочность брикетов из техногенных и природных дисперсных железо- и железоуглеродсодержащих материалов на цементной связке достигается при использовании 8-10 % минерального связующего в шихте и сохраняется вплоть до полного разложения гидросиликатов цементного камня.

2. Показано, что при нагреве брикетов в восстановительной атмосфере их прочность сохраняется вплоть до их размягчения. Объяснен механизм сохранения прочности брикетов, включающий твердофазное спекание частиц компонентов брикета, последующее формирование оливиново-вюститной матрицы в теле брикета и образование, в результате восстановления железа газом, поверхностного металлического каркаса.

3. Выявлена и объяснена необходимость обеспечения оптимального содержания углерода в брикетах, при котором достигается максимальный коэффициент замены кокса углеродом брикетов при их проплавке в доменной печи. Теоретически показано и опытными плавками на доменной печи 2000 м³ подтверждено, что превышение оптимального содержания углерода в брикетах за счет коксовой мелочи при высоком удельном расходе брикетов ухудшает показатели доменной плавки.

Практическая значимость.

1. Результаты исследования использованы при разработке технологического задания на проектирование в ОАО «НЛМК» участка по производству брикетов из металлургических железоуглеродсодержащих дисперсных отходов.

2. Изготовлением и проплавкой в доменных печах брикетов из окалины показана эффективность их применения и возможность замены ими промывочного агломерата с прекращением периодического его производства, ухудшающего показатели работы аглофабрики и стабильность состава агломерата. Предложено оптимизировать состав промывочных брикетов за счет применения кремнеземистых и магнезиальных добавок.

3. Показано энергетическое и экологическое преимущество брикетирования перед альтернативными технологиями утилизации железосодержащих отходов.

Апробация работы.

По материалам диссертации опубликовано 8 статей. Результаты доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах:

· Симпозиум «Познание процессов доменной плавки» (Днепропетровск, Украина, июль, 2006)

· Materials Science & Technology (MS&T) 2006. Conference and exhibition (USA, Cincinnati, Ohio, October, 2006)

· International conference «Advances in metallurgical processes and materials» (Dnipropetrovsk, Ukraine , may, 2007)

· V молодежный научно-практический форум "Интерпайп-2007" (г. Днепропетровск, Украина, июнь, 2007г).

· Научно-практическая конференция «Современные вопросы доменного производства» (Днепропетровск, Украина, январь 2008 г.)

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных литературных источников из 104 наименований и 5 приложений. Общий объем работы составляет 121 страница, в том числе 33 таблицы и 28 рисунков.

Содержание работы

1. Современные технологии рециклинга дисперсных железосодержащих отходов

Выполненный анализ применяемых технологий утилизации мелкодисперсных отходов металлургических производств показывает, что рециклинг большинства из них осуществляется с использованием агломерационного процесса. При этом их применение в аглошихте ограничено. Расход «непроблемных» железосодержащих отходов в аглошихту может достигать до 100-150 кг/т агломерата. Часть железосодержащих отходов (шламы, замасленная окалина) вообще не может быть использована в составе аглошихты без предварительной обработки. Ограниченная возможность рециклинга отходов в аглопроцессе накладывает определенные трудности в сфере обращения с отходами. В то же время, отказ от утилизации ряда техногенных материалов в составе аглошихты позволяет улучшить показатели аглодоменного производства и повысить качество агломерата.

Помимо агломерации рассмотрен опыт утилизации подобных отходов с использованием альтернативных способов рециклинга. В качестве такой технологии все шире применяется метод холодного брикетирования вибропрессованием с использованием минерального связующего - портландцемента. В зависимости от технологического предназначения в составе таких брикетов можно использовать материалы, содержащие только железо, железо и углерод, углерод, металлоотходы, и флюсующие добавки.

2. Образцы материалов, методики и аппаратура, используемые в работе

В исследованиях использовали образцы лабораторных и промышленных брикетов различного компонентного состава и промышленного агломерата (табл.1,2). Лабораторные брикеты изготавливались на лабораторной вибрационной площадке (частота 50 Гц, амплитуда колебаний 0,35 мм) в форме куба размером 70х70х70 мм, 100х100х100 мм. Промышленные брикеты изготавливались на вибропрессе для производства бетонных изделии в ОАО «НЛМК» (давление 10 кПа, частота 50 Гц) в форме цилиндра размером 120х90 мм.

Оценку восстановимости и размягчаемости материалов выполняли по методикам и на установках МИСиС и на аппарате Бургхардта в лаборатории ОАО «ОЭМК». Исследование поведения предварительно частично восстановленных (по ГОСТ 21707-76) железорудных материалов при высокотемпературном нагреве в слое кокса проводили на установке и по методике Института черной металлургии НАН Украины.

Для исследования минералогического состава брикетов применялись оптическая микроскопия, термографический метод STA и мессбауэровская спектроскопия.

Прочность на сжатие брикетов определяли в соответствии с ГОСТ 10180-90 в лаборатории ОАО «НЛМК».

Для оценки эффективности применения промывочных брикетов из окалины проведены опытные плавки с их использованием на двух доменных печах объемом 2000 м³ ОАО «НЛМК». Эффективность применения коксорудных

Таблица 1 Компонентный состав образцов, исследуемых в работе

№№ образца	Окалина,%	Пыль FeSi, %	Магнезиальный. порошок, %	Гематитовая руда, %	Магнетитовый . конц-т, %	Колошниковая пыль, %	Доменный шлам, %	Конвертерный шлам, %	Коксовая мелочь, %	Портланд-цемент, %
1	92	-	-	-	-	-	-	-	-	8
2-5*	90	-	-	-	-	-	-	-	-	10
6-7	промышленный промывочный агломерат двух составов
8	офлюсованный агломерат
9	88	4	-	-	-	-	-	-	-	8
10	80	7,9	2,1	-	-	-	-	-	-	10
11	80	8,5	3,5	-	-	-	-	-	-	8
12	80	6,8	3,2	-	-	-	-	-	-	10
13	80	7,4	4,6	-	-	-	-	-	-	8
14	80	5,9	4,1	-	-	-	-	-	-	10
15	80	6,5	5,5	-	-	-	-	-	-	8
16	-	-	-	73	-	-	-	-	17**	10
17	-	-	-	-	71,7	-	-	-	16,6	11,7
18	-	-	-	-	65	-	-	-	20	15
19	70	-	-	-	-	8	-	-	12	10
20	68	-	-	-	-	8	-	-	14	10
21	27	-	-	-	-	-	50	-	13	10
22	-	-	-	-	-	-	90	-	-	10
23	-	-	-	-	-	-	92	-	-	8
24	-	-	-	-	-	-	65	25	-	10
25	-	-	-	-	-	-	66	26	-	8
26	-	-	-	-	-	-	55	35	-	10
27	-	-	-	-	-	-	56	36	-	8
28	-	-	-	-	-	-	45	45	-	10
29	-	-	-	-	-	-	46	46	-	8
30	-	-	-	-	-	-	-	90	-	10
31	-	-	-	-	-	-	-	92	-	8

*образец №2- лабораторный брикет

образец №3-5 -промышленные брикеты

**древесный уголь

брикетов оценивали с использованием метода пофакторного анализа по результатам опытных плавок, проведенных ранее на доменной печи объемом 1000 м³ ОАО «НЛМК».

3. Исследование металлургических свойств брикетов на цементной связке

Исследование прочности брикетов в холодном состоянии

Проведенные по стандартной методике испытания лабораторных брикетов на раздавливание показали, что при содержании 8-10 % цемента брикеты из различных техногенных и природных дисперсных компонентов показали высокие значения прочности на сжатие (табл. 3). Наиболее прочными оказались брикеты, содержащие окалину. Введение в шихту брикетов колошниковой пыли несколько снижает их прочность вследствие ее дисперсности и плохой комкуемости (№19,20). При неизменном содержании цемента в шихте (8%) добавка к брикетам

Таблица 2 Химический состав исследуемых в работе образцов

№№ образца	Feобщ, %	FeO, %	Fe2O3, %	CaO,%	SiO2, %	MgO,%	С,%	Основность CaO/ SiO2
1	66,93	49,16	40,99	5,48	2,47	0,40	0	2,22
2	65,51	48,10	40,14	6,75	2,86	0,47	0	2,36
3	58,4	58,8	18,14	9,8	8,1	0,44	0	1,21
4	53,2	49,8	20,7	13,2	10,8	0,58	0	1,22
5	59,7	58,4	20,3	9,15	6,35	0,68	0	1,44
6	60,23	44,31	36,81	7,05	8,57	1,07	0	0,82
7	59,95	41,48	39,56	7,27	8,85	1,02	0	0,82
8	58,5	13,5	68,6	8,15	7,33	1,55	0	1,11
9	64,03	47,03	39,22	5,47	6,43	0,39	0	0,85
10	58,24	42,75	35,70	6,77	10,73	2,31	0	0,63
11	58,22	42,75	35,66	5,54	10,97	3,47	0	0,6
12	58,24	42,75	35,70	6,80	9,67	3,28	0	0,7
13	58,22	42,75	35,66	5,54	9,87	3,55	0	0,56
14	58,24	42,75	35,70	6,83	8,79	4,07	0	0,78
15	58,22	42,75	35,66	5,60	10,51	5,23	0	0,53
16	46,12	0,00	65,88	8,84	7,79	0,52	12,62	1,14
17	47,99	17,96	48,61	7,67	5,63	0,72	14,28	1,36
18	43,39	16,05	44,15	9,56	6,00	0,82	17,20	1,59
19	52,81	36,70	34,67	7,02	3,21	0,45	10,96	2,19
20	51,32	35,57	33,78	7,01	3,19	0,53	12,68	2,2
21	39,88	16,30	38,87	11,55	6,11	1,13	20,48	1,89
22	40,35	6,76	50,13	13,05	8,30	1,46	15,75	1,57
23	41,22	6,91	51,20	11,92	8,02	1,41	16,10	1,49
24	44,05	21,61	38,92	14,44	7,29	1,48	11,93	1,98
25	45,07	22,35	39,55	13,37	6,98	1,43	12,12	1,92
26	45,53	27,55	34,44	15,00	6,89	1,49	10,40	2,18
27	46,55	28,29	35,06	13,93	6,57	1,4	10,60	2,12
28	47,01	33,48	29,96	15,56	6,48	1,50	8,87	2,40
29	48,03	34,23	30,58	14,49	6,17	1,45	9,07	2,35
30	53,68	60,21	9,78	18,07	4,67	1,54	1,99	3,87
31	54,84	61,55	9,96	17,06	4,32	1,49	2,03	3,95

Таблица 3 Результаты испытаний брикетов на сжатие

№№ образца	1	2	9	10	11	12	13	14	15	19
Прочность, кг/см2	93,3	118	112	48	81	68	49	34,2	33	87,5
№№ образца	20	21	24	25	26	27	28	29	30	31
Прочность, кг/см2	84,3	148,4	10	7,3	9	6	10,8	9,7	2	2

из окалины микрокремнезема (пыль газоочистки печи для производства FeSi) в количестве до 5% увеличивала прочность брикетов (№№1,9). Увеличение добавки пылевидной SiO₂ свыше 5% и добавка магнезии (в виде порошка с содержанием 85% MgO) снижала прочностные характеристики брикетов (№№10-15) вследствие образования медленно гидратирующих низкоосновных силикатов кальция и снижения гидратационной активности трехкальциевого силиката.

Минимальную прочность на сжатие имели брикеты из конвертерного шлама (№№30-31). Низкая прочность данных брикетов обусловлена повышенным содержанием CaO в составе шлама в виде трехкальциевого силиката 3CaO*SiO₂ (алита), имеющего зернистую микроструктуру, а также сохранением в структуре брикета шламовых гранул, образующихся при сушке шлама. Частичная замена конвертерного шлама доменным приводила к некоторому увеличению значений прочности брикетов на сжатие (№№24-29). При использовании конвертерного шлама в составе шихты для брикетирования необходимо увеличивать расход цемента на их изготовление. При промышленном производстве брикетов из конвертерного шлама с содержанием цемента 15 % достигалась их достаточная прочность (25-40 кг/см²), обеспечивающая целостность брикетов при транспортировке и перегрузках с образованием мелочи (-10 мм) не более 5-7 %.

Поведение брикетов при нагреве в восстановительной атмосфере

С целью оценки поведения брикетов из оксидных железосодержащих материалов при их нагреве в восстановительной атмосфере лабораторные брикеты (размером 70х70х70 мм) из прокатной окалины, железорудного концентрата Стойленского ГОКа, конвертерного шлама и кварцевого песка (содержание цемента М500: 6,6%, 8,8%, 9,0 % и 10,7 %, соответственно) были подвергнуты нагреву до Т=1150 со скоростью 500 /час в трубчатой печи (внутренний диаметр - 100 мм) в токе водорода с последующим охлаждением до комнатной температуры путем продувки печи азотом.

После термообработки все брикеты полностью сохранили свою форму. Брикет из кварцевого песка в результате термообработки потерял прочность по причине дегидратации гидросиликатов цементного камня, которая, по результатам термографического анализа, завершается при температуре 700-750 ^оС. Оптический анализ образцов этого брикета после термообработки выявил лишь следы незначительного взаимодействия между зернами песка и компонентами цементного камня, не повлиявшего на прочность брикета.

Брикеты из железосодержащих материалов в результате термообработки в восстановительной атмосфере значительно упрочнились за счет формирования плотной микроструктуры из вюстита и железистых оливинов, образовавшейся в результате спекания дисперсных частиц компонентов брикета, реакций восстановления оксидов железа и твердофазных реакций между вюститом, оксидами пустой породы железосодержащих компонентов и оксидами цементного камня. Кроме того, в поверхностном слое этих брикетов образовался своеобразный металлический каркас, толщина которого (от 3-5 до 10-15 мм) определялась крупностью частиц и восстановимостью железосодержащего материала, а также исходной (после изготовления) плотностью брикета.

Во всем объеме брикета из железорудного концентрата оксиды железа восстановились до вюстита, а в поверхностном слое толщиной 3-5 мм - до металлического железа (рис.1). Металлическое железо по границам зерен вюстита присутствует в теле брикета на расстоянии 20-25 мм от поверхности. Плотная структура железосиликатной фазы между зернами вюстита в центральной части брикета (рис.2) свидетельствует о том, что она прошла через жидкое, либо вязко-пластичное состояние. Образование оливинов обусловлено содержанием SiO₂ в концентрате (6,3%), CaO в цементе и развитой поверхностью контакта дисперсных частиц концентрата (70-120 мкм) и цемента. Брикеты из железорудного концентрата могут служить эффективным промывочным материалом для доменных печей, так как восстановление большей части железа в доменной печи будет происходить только твердым углеродом после расплавления брикета.

Рисунок 1. Микроструктура поверхности брикета из магнетитового концентрата: металл (1), вюстит (2), оливиновая фаза (3) (отраженный свет, увеличение х500)



Рисунок 2. Микроструктура центральной части брикета из магнетитового концентрата: вюстит (1), оливиновая фаза (2) (отраженный свет, увеличение х500)

В брикете из окалины оксиды железа в поверхностном слое (10-15 мм) практически полностью восстановились до металла (рис.3), а в остальной части тела брикета, занимающей 50-60 % объема - до вюстита, местами оконтуренными металлическим железом (рис.4).

Незначительное содержание оксидов пустой породы в окалине, особенно SiO₂, а также не столь развитая (по сравнению с концентратом) поверхность контакта между частицами окалины размером 0-5 мм и продуктами дегидратации цементного камня (CaO, SiO₂) обусловили образование в структуре брикета лишь небольшого количества силикатов оливинового состава и увеличение поверхностного слоя металлизованного железа.

В брикете из конвертерного шлама, содержащем до 2-3 % углерода, металлическое железо, кроме поверхностного слоя толщиной 6-8 мм, в небольшом количестве образовалось во всем объеме брикета. Между зернами вюстита присутствует небольшое количество оливиновой фазы и трехкальциевого силиката (алита).



Рисунок 3. Микроструктура поверхностного слоя брикета из окалины: металлическое железо (1), оливиновая фаза (2) (отраженный свет, увеличение х1000)

Рисунок 4. Микроструктура центральной части брикета из окалины: вюстит (1), металл (2) (отраженный свет, увеличение х200)

Таким образом, полученные результаты позволяют заключить, что цементная связка способствует сохранению формы и прочности брикетов из железосодержащих материалов при их нагреве в восстановительной атмосфере до полной дегидратации гидросиликатов цементного камня. Процессы спекания дисперсных железосодержащих частиц, последующее образование плотной структуры из железистых оливинов и вюстита во всем объеме брикетов и упрочняющего металлического каркаса в поверхностном слое, который при нагреве до 1150 ^оС может занимать в зависимости от вида железосодержащего компонента брикета до 10-45 % его объема, способствует сохранению формы брикетов вплоть до их размягчения в зоне когезии. Ни прочность брикетов в холодном состоянии, ни их поведение при нагреве в восстановительной атмосфере не ограничивают применение брикетов на цементной связке в качестве окускованного сырья для доменных печей.

Исследование металлургических свойств брикетов из окалины

Брикеты из окалины исследовали как возможный альтернативный промывочному агломерату материал, производство которого позволит исключить периодическое спекание промывочного агломерата, сопровождающееся снижением технико-экономических показателей агломашин и стабильности состава обычного агломерата в переходные периоды.

Объектами исследования были (табл.1,2): лабораторные брикеты №№1,2; промышленные брикеты №№ 3,4; промышленный промывочный агломерат №№ 6,7.

Пробы лабораторных и промышленных брикетов из окалины (размер кусочков 30-35 мм) показали более высокую восстановимость по сравнению с промывочным агломератом (размер кусочков 10-25 мм) (табл.4). При Т=800 брикеты с равномерной скоростью достаточно интенсивно восстанавливаются и по истечении опыта (50 минут) достигают относительно высоких значений степени восстановления. Промывочный агломерат восстанавливается также с равномерной скоростью, но достаточно медленно и к моменту окончания опыта развитие процессов восстановления в агломерате ограничено.

Характеристики размягчаемости проб промышленного агломерата и лабораторных брикетов сопоставимы (табл.5), а исследованные пробы промышленных брикетов имели значительно более широкий интервал и более низкую температуру начала размягчения по сравнению с промывочным агломератом, что обусловлено большим различием химического состава этих брикетов из-за несовершенной технологии их изготовления.

Таблица 4 Степень восстановления испытанных образцов

№№	1	2	3	4	6*1	7*1
RI, %	72,8	70,7	73,0	68,9	15,8 55,6	18,6 51,1

Примечание: степень восстановления образцов при нагреве:

*¹-в числителе - кусочки 20-25 мм с оплавленной структурой ;

-в знаменателе - кусочки 10-15 мм с пористой структурой.

Таблица 5 Результаты испытаний образцов промывочных материалов на размягчаемость в восстановительной атмосфере

№№ образца	1	2	3	4	6	7
Тнач ,оС	1150	1160	920	990	1180	1180
Ткон ,оС	1315	1300	1150	1200	1335	1320
Т,о С	165	140	230	210	155	140

Испытания исследуемых материалов в аппарате Бургхардта (восстановление водородом при температуре 900^оС под нагрузкой 1,5 кг/см² пробы массой 800-1000 г, крупность кусочков 8-20 мм , 2 опыта с каждым материалом) выявили различный характер восстановления проб промышленных брикетов из окалины и промывочного агломерата (рис.5). Восстановление пробы брикетов первые 30 минут шло более интенсивно, чем восстановление агломерата, затем оно замедлилось и через 45 минут практически прекратилось. Потеря массы агломерата примерно с одинаковой скоростью продолжалась в течение всех трех часов и, в результате, итоговая степень металлизации агломерата (93,9 %) несколько превысила степень металлизации кусочков брикета (89,7 %).Усадка пробы брикетов (6,7 %) при восстановлении в аппарате Бургхардта превышала усадку пробы агломерата (2,1 %), а количество спекшегося материала составило 78,5 %, тогда как доля спекшихся кусочков агломерата составила только 6,6 %.

Рисунок 5. Характер процесса восстановления проб брикетов из окалины и промывочного агломерата в аппарате Бургхардта при Т=900

Исследования поведения предварительно восстановленных промышленных брикетов из окалины (№5) и двух видов агломерата (№№6,8) при высокотемпературном нагреве от 1000 до 1600 в слое кокса под нагрузкой 1 кг/см² проводили на установке ИЧМ (табл.6). Предварительную подготовку железорудных материалов проводили в соответствии с ГОСТ 21707-76, которая состояла в восстановлении (атмосфера 33% СО, 65% N₂) проб материалов под давлением 100 кПа при нагреве до Т=1050 в течение 200 минут.

Таблица 6 Результаты высокотемпературных испытаний агломерата и брикетов из окалины на установке ИЧМ

Показатели	Офлюсованный агломерат (№8)	Промывочный агломерат (№6)	Брикеты из окалины (№5)
Степень восстановления, % (по ГОСТ 21707-76)	75,4	69,94	71,22
Т1- температура потери газопроницаемости,	1320	1300	1210
Т2- температура начала фильтрации,	1370	1335	1270
Т3 - температура максимальной фильтрации,	1450	1420	1380
Содержание FeO в шлаке, %	24,87	38,52	48,62
Доля тугоплавкого остатка, %	13,8	10,8	10,2

Температуры размягчения и фильтрации расплава через слой кокса, а также доля тугоплавкого остатка в слое кокса у исследованных материалов зависят от содержания в них оксидов магния и железа (рис.6, 7). Повышенное содержание FeO в брикетах и минимальное содержание в них MgO обусловили снижение температур размягчения и фильтрации по сравнению с промывочным и офлюсованным агломератом.

Рисунок 6. Зависимость температур фильтрации шлака и доли тугоплавкого остатка от содержания MgO в испытуемых материалах



Рисунок 7. Зависимость температур фильтрации шлака и доли тугоплавкого остатка от содержания FeO в испытуемых материалах

Оптически установлено, что в брикетах из окалины образуется лишь небольшое количество силикатов оливинового состава, столь необходимых для промывочного материала. В связи с этим и на основании результатов лабораторных опытов с брикетами из окалины в их состав решено было ввести дисперсные добавки кремнеземистых и магнезиальных материалов (образцы №№9-15, табл.1,2). Термостойкость и восстановимость этих лабораторных брикетов (размеры 70х70х70 мм, 100х70х70 мм) оценили путем их нагрева в восстановительной атмосфере (95% Ar, 5% H₂) со скоростью 500 ^оС/час до температуры 1200 ^оС. Степень металлизации брикетов после термообработки по указанному режиму составляла от 1 до 3 %. Увеличение содержания SiO₂ и MgO в шихте брикетов обеспечивает условия для формирования твердых растворов в системе CaO-MgO-FeO-SiO₂ , более тугоплавких и трудновосстановимых по сравнению с оливином состава CaFeSiO₄, который является основой расплава в брикетах из магнетитового концентрата или в брикетах из окалины при добавлении только микрокремнезема (до 4 %).

Таким образом, с учетом проведенных исследований с полноразмерными брикетами можно заключить, что они при сохранении формы и размеров вплоть до зоны когезии смогут осуществлять достаточно эффективную промывку коксовой насадки. При этом промывочные свойства брикетов из окалины можно повысить за счет введения в их состав дисперсных добавок кремнеземистых и магнезиальных материалов. В случае, если в шахте доменной печи произойдет частичное разрушение брикетов, то высокозакисный расплав из брикетов образуется при более низких температурах, а значит «промывка» коксовой насадки железистым шлаком начнется на более высоком горизонте коксовой насадки.

Исследование металлургических свойств железоуглеродсодержащих брикетов

Оценка восстановимости по потере веса при Т=800^оС образцов (размер кусочков 30-35 мм) брикетов (№№16-21, табл.1,2), изготовленных из различных материалов, выявила зависимость достигнутой степени восстановления (табл.7) от восстановимости (окисленности) компонентов брикетов (рис.8) и содержания углерода в них (рис.9). При нагреве испытуемых проб, как в нейтральной, так и в восстановительной атмосфере, максимальную восстановимость имели брикеты из гематитовой руды (№16) и брикеты с максимальным содержанием углерода (№18, 21). По результатам оптического и мессбауэровского анализа образцов брикетов №№ 16-18, 21 выявлено, что при их нагреве до Т=1200 в нейтральной атмосфере происходит частичное восстановление оксидов железа до металла (без его науглероживания) и образование силикатов. Оптически в восстановленных образцах наблюдались области остаточного углерода.

Таблица 7 Степень восстановления углеродсодержащих брикетов и содержание в них углерода

№№ образца	16	17	18	19	20	21
Содержание С, %	12,6	14,3	17,2	11,0	12,7	20,5
RI, %	в азоте	35,4	14,8	18	10,2	13,1	36,7
	в водороде	88,5	75,2	81	57,3	66,8	93,5

Для изучения поведения полноразмерных образцов углеродсодержащих брикетов в условиях восстановительного нагрева (до 1200 со скоростью 500 в час в смеси аргона (95 %) и водорода (5%)) были испытаны лабораторные брикеты из 10 различных композиций конвертерного и доменного шламов (№№22-31, табл.1,2).

Брикеты из конвертерного шлама, содержащие до 2 % углерода, имели степень металлизации 10-12%, а в брикетах из смеси конвертерного шлама с доменным, содержащих до 12-13 % углерода, степень металлизации железа достигала 90-95 %. Это содержание углерода практически соответствовало стехиометрически необходимому количеству углерода для полного восстановления оксидов железа в брикете. Дальнейшее увеличение содержания углерода в брикетах за счет увеличения доли доменного шлама в смеси не привело к увеличению степени металлизации (рис.10, 11).

Таким образом, для достижения максимального коэффициента замены кокса углеродом железоуглеродсодержащих брикетов, его содержание в них не должно существенно превышать стехиометрически необходимого и может быть вычислено по формуле (1).

(1)

где - содержание углерода в углеродсодержащем компоненте (коксовая мелочь, древесный уголь, антрацит, кокс и т.д.), %

- количество углеродсодержащего компонента в брикете, %

Рисунок 8. Зависимость степени восстановления от окисленности железосодержащих компонентов брикетов

Рисунок 9. Зависимость степени восстановления брикетов от содержания углерода в них



Рисунок 10 Зависимость степени металлизации от содержания углерода в брикетах

Рисунок 11. Содержание углерода в брикетах фактическое и необходимое по стехиометрии для восстановления Fe

4. Опытно-промышленные испытания применения брикетов на цементной связке

Результаты промышленных испытаний применения брикетов из окалины в качестве промывочного материала

С целью практической оценки эффективности применения брикетов из окалины для промывки горна доменных печей была произведена опытная партия брикетов из окалины (90%) на цементной связке (10%) цилиндрической формы (120х90 мм). Брикеты использовали в качестве штатного промывочного материала на двух доменных печах объемом 2000 м³. Оценку эффективности применения брикетов из окалины проводили путем сравнения результатов работы печей в сопоставимых условиях при использовании брикетов и при использовании промывочного агломерата. Приведение результатов к одинаковым условиям выполнили с помощью коэффициентов пофакторного анализа.

Брикеты из окалины на цементной связке использовали для промывки горна на доменных печах №3 (табл.8) в количестве 450 т и №4 в количестве 200 т. Промывки горна проводили путем загрузки промывочного материала в количестве от 6 до 40 кг/т в течение 0,5-1,5 суток.

Таблица 8 Показатели работы доменной печи №3 при использовании промывочного агломерата (Вариант А) и промывочных брикетов (Вариант Б)

Показатели работы печи	Вариант А	Вариант Б
	4-12.05.06	6-14.06.06	29.05-06.06.06
Производительность , т/сут	4422	4335	4248
Расход кокса, кг/т	414	423	423
Агломерат , кг/т	1494	1417	1452
Промывочный агломерат, кг/т	5	32	0
Брикеты промывочные, кг/т	0	0	10
Окатыши Лебединские, кг/т	97	192	196
Конвертерный шлак, кг/т	2	15	21
Содержание Fe в ж/р части шихты, %	59,16	59,02	58,92
Природный газ, м3/т	104	99	102
Расход дутья, м3/мин	3337	3311	3316
Содержание О2 в дутье, %	28,4	28,7	28,7
Тдутья,	1103	1104	1109
Давление под колошником, кПа	138	138	137
Состав чугуна, %: [Si]	0,56	0,63	0,63
[Mn]	0,08	0,10	0,10
[S]	0,017	0,013	0,015
[P]	0,06	0,06	0,06
Выход шлака, кг/т	318	330	330
Основность шлака (CaO/SiO2 )	1,01	1,00	0,98
?Рв кПа	16	17	17
?Рн, кПа	119	117	117
Индекс газопроницаемости (Гн *10-3)	21092,5	21188,4	21367,5
Производительность приведенная, т/сут	4422	4565	4507
Расход кокса приведенный, кг/т	414	388	393

Как использование промывочного агломерата, так и использование брикетов способствовало стабильной и производительной работе доменных печей без нарушения газодинамического режима плавки. На доменной печи №3 максимальная приведенная производительность и минимальный приведенный расход кокса получены в период повышенного расхода промывочного агломерата. Повышенная производительность доменной печи №4 и минимальный расход кокса имели место во время и после использования промывочных брикетов из окалины.

Для проведения более глубокого анализа и сопоставления промывочных свойств испытуемых материалов использовали такие расчетные критерии как изменение степени прямого восстановления (r_d) и изменение показателя «DMI» Sergeant R, Bonte L., Huysse K. and other. Heart management at Sidmar for an optimal hot metal and slag evacuation// The 5^th European coke and ironmaking congress. Proceeding. Second volume.We1:3. Stockholm, 2005, который косвенно оценивает дренажную способность горна путем сопоставления фактического содержания углерода в чугуне на выпусках, зависящего от поверхности и времени контакта чугуна с коксом в горне, и содержания углерода в насыщенном состоянии (табл.9,10)). Индекс «DMI» рассчитывается по формуле (2).

(2)

где Т_ч - температура чугуна, ⁰С

[Si], [P], [S], [Mn], [C] - массовая доля указанных элементов в чугуне, %

В_шл - основность шлака (CaO/SiO₂).

Таблица 9 Результаты расчета критериев эффективности промывки для ДП№3

ДП№3	Промывки агломератом	Промывки брикетами
	04.05.06	06.06.06	31.05.06	02.06.06
Изменение степени прямого восстановления
до промывки rd (1)	39,0	45,4	46,5	50,5
во время промывки rd (2)	50,1	48,5	49,6	53,8
= rd (2) - rd (1)	11,1	3,1	3,1	3,3
Изменение показателя «DMI»
до промывки DMI(1)	170	201	242	201
во время промывки DMI(2)	227	227	265	233
= DMI(2) - DMI(1)	57	26	23	32

Таблица 10 Результаты расчета критериев эффективности промывки для ДП№4

ДП№4	Промывки агломератом	Промывки брикетами
	17.12.05	19.12.05	16.06.06	17.06.06
Изменение степени прямого восстановления
до промывки rd (1)	39,8	40,5	37,7	41,8
во время промывки rd (2)	45,3	46,5	40,0	47,2
= rd (2) - rd (1)	5,5	6,0	2,3	5,4
Изменение показателя «DMI»
до промывки DMI(1)	178	152	162	181
во время промывки DMI(2)	224	178	181	193
= DMI(2) - DMI(1)	46	26	19	12

Комплексная оценка по сумме расчетных критериев эффективности промывки показывает, что применение обоих видов промывочных материалов приводит к повышению дренажной способности коксовой насадки. Однако промывочный эффект от применения брикетов из окалины несколько ниже, чем при использовании агломерата. В значительной мере это объясняется тем, что абсолютное количество загруженного промывочного агломерата в рассмотренные периоды более чем в 2 раза превышало количество загруженных брикетов.

Результаты промышленных плавок с применением углеродсодержащих брикетов из железорудного концентрата

Брикеты на цементной связке можно применять не только для промывки горна доменных печей, но и в качестве полноценного окускованного углеродсодержащего компонента доменной шихты. Опытные плавки (табл.11) с использованием коксорудных брикетов были проведены в ОАО «НЛМК» на печи объемом 1000 м³ в 2004 году до выполнения комплексного исследования металлургических свойств брикетов. В связи с этим промышленные брикеты (№18) были изготовлены с завышенным содержанием коксовой мелочи (20 %) и портландцемента М500 (15 %). Проплавка брикетов осуществлялась в несколько этапов, различавшихся расходом брикетов (122, 198, 303 кг/т чугуна). Всего было проплавлено 2475 т коксорудных брикетов.

Таблица 11. Показатели работы печи при проплавке брикетов из железорудного концентрата и коксовой мелочи

Показатели плавки \ периоды работы печи	21-25.08 6-10.09 База	26-30.08 1	...

Подобные документы

• Химический состав шихтовых материалов доменной плавки

  Расчет шихты доменной печи. Средневзвешенный состав рудной смеси. Выбор состава чугуна и шлака. Оценка физических и физико-химических свойств шлака. Заплечики и распар, шахта и колошник. Профиль и горн доменной печи, показатели, характеризующие ее работу.
  
  курсовая работа [465,5 K], добавлен 30.04.2011
  

• Повышение эффективности вдувания природного газа в доменные печи

  Использование природного газа в доменном производстве, его роль в доменной плавке, резервы снижения расхода кокса. Направления совершенствования технологии использования природного газа. Расчет доменной шихты с предварительным изменением качества сырья.
  
  курсовая работа [705,8 K], добавлен 17.08.2014
  

• Распределение материалов на колошнике доменной печи при загрузке

  Влияние порядка загрузки материалов, уровня засыпи и подвижных плит на распределение и газопроницаемость шихты по сечению модели колошника доменной печи. Оптимальное расположение фурменных очагов в горне. Составляющие столба материалов в доменной печи.
  
  курсовая работа [436,1 K], добавлен 20.06.2010
  

• Система загрузки доменной печи шихтовыми материалами – агломератом в смеси с коксом

  Описание работы доменной печи, в зависимости от исходных условий и способа загрузки компонентов шихты в скип. Методы загрузки железорудных материалов. Влияние смешивания рудного сырья с коксом на газодинамические условия и показатели доменной плавки.
  
  дипломная работа [4,2 M], добавлен 08.12.2014
  

• Воздухонагреватели доменной печи

  Устройство, оборудование и работа воздухонагревателя доменной печи. Огнеупорная кладка воздухонагревателей. Перепускной, дымовой и воздушно-разгрузочный клапаны, газовая горелка. Совершенствование режимов работы с целью повышения температуры дутья.
  
  курсовая работа [904,7 K], добавлен 28.10.2014
  

• Капитальный ремонт доменной печи

  Устройство, назначение и принцип действия доменной печи. Выбор и расчет гибких строп для капитального ремонта доменной печи. Расчет отводных блоков. Организация технического обслуживания, технология проведения и определение трудоемкости ремонта печи.
  
  курсовая работа [2,3 M], добавлен 23.05.2013
  

• Исследование эффективности использования в шихте доменных печей различных флюсующих материалов

  Анализ изменения состава шлака и его свойств в зависимости от температур и содержания основных окислов. Влияние химического состава флюса на показатели работы доменной печи. Использование флюсующих добавок при выплавке чугуна и производстве агломерата.
  
  курсовая работа [3,4 M], добавлен 18.05.2014
  

• Процессы разложения и восстановления шихтовых материалов по высоте доменной печи

  Процессы разложения плавильных материалов. Процессы восстановления в доменной печи: термодинамика и кинетика восстановления оксидов. Влияние разных факторов на параметры этого процесса и их связь с технико-экономическими показателями доменной плавки.
  
  контрольная работа [826,4 K], добавлен 30.07.2011
  

• Расчет доменного процесса

  Конструкция и принцип работы доменной печи. Расчет шихты на 1 тонну чугуна, состава и количества колошникового газа и количества дутья. Определение материального и теплового балансов доменной плавки. Расчет профиля доменной печи (полезная высота и объем).
  
  курсовая работа [1,2 M], добавлен 19.05.2011
  

• Проект доменной печи, предназначенной для передельного чугуна для обеспечения бесперебойной работы конвертерного цеха

  Вычисление профиля доменной печи, графическое изображение разреза по технологической оси. Расчет доменной шихты на получение чугуна с содержанием марганца. Виды огнеупоров: шамотный, высокоглиноземистый, карбидокремниевый кирпич, углеродистые блоки.
  
  курсовая работа [865,1 K], добавлен 12.04.2012
  

• Проект доменной печи полезным объемом 2800 м3

  Расчет профиля доменной печи, количества воздушных фурм, чугунных леток и выпусков жидких продуктов плавки. Описание конструкции лещади, горна, заплечиков, колошника, шахты и распара печи. Определение футеровки охлаждаемой и неохлаждаемой части шахты.
  
  курсовая работа [2,3 M], добавлен 07.03.2015
  

• Анализ металлургического производства ЗАО "Кыштымский медеэлектролитный завод"

  Техническая характеристика рафинировочной печи "MERZ". Оборудование для анодоразливочного оборудования М24 фирмы "Wenmec". Работа цеха электролиза меди и медной фольги. Организация деятельности цеха по производству брикетов и строительных материалов.
  
  отчет по практике [2,5 M], добавлен 03.09.2015
  

• Процессы горения топлива в доменной печи

  Главные функции, выполняемые горном доменной печи. Скорость реакции горения топлива, диффузия молекул кислорода в пограничный слой. Количество образующейся окиси углерода, температура и концентрация кислорода в газовой фазе. Окислительные зоны печи.
  
  контрольная работа [145,7 K], добавлен 11.09.2013
  

• Проект доменной печи производительностью 7000 т передельного чугуна в сутки

  Разработка и расчет строительства доменной печи. Выбор и обоснование материалов, вспомогательных устройств, оборудования. Выбор, расчет и обоснование технологических параметров плавки. Обеспечение экологичности производства, безопасности условий труда.
  
  дипломная работа [79,8 K], добавлен 22.11.2010
  

• Экспериментальные работы по моделированию древних металлургических технологий

  Проект реконструкции технологии и рудной базы древнего металлургического производства Северной Евразии. Изучение металлургических шлаков Синташта и Аркаим. Эксперименты по строительству печи, прогреву ее, обжигу руды, плавке руд в тигле и в печи.
  
  реферат [2,6 M], добавлен 28.01.2014
  

• Возникновение доменной печи

  Появление в России первых домен. Первые уральские железоделательные заводы. Применение цилиндрических воздуходувных машин. Устройство современной доменной печи. Восстановление оксида железа до губчатого железа и разложение известнякового флюса в шахте.
  
  реферат [608,6 K], добавлен 27.03.2009
  

• Контроль и регулирования теплового режима воздухонагревателей доменной печи

  Расширение функциональных и технических возможностей управления тепловым режимом, обеспечение безотказной и безаварийной работы воздухонагревателя доменной печи. Автоматизация контроля за состоянием технологического оборудования воздухонагревателя.
  
  курсовая работа [660,2 K], добавлен 21.04.2019
  

• Оперативные данные о значениях параметров в доменной печи

  Улучшение качества выплавляемого металла в отрасли черной металлургии и технико-экономических показателей. Автоматизированная система контроля в доменной печи, обработка текущей информации о температуре. Расчет надежности передачи информации в системе.
  
  контрольная работа [157,2 K], добавлен 28.02.2014
  

• Изучение металлургических свойств нового типа железорудного сырья (маггемитовых руд) для подготовки к доменной плавке

  Вещественный состав маггемитовых руд и особенности нового типы железорудного сырья. Изучение химизма процесса восстановления и использования надрудной толщи. Технологические свойства руд и их переработки. Идентификация вредных производственных факторов.
  
  дипломная работа [1,0 M], добавлен 01.11.2010
  

• Черная металлургия

  Характеристика металлургической ценности руды. Обоснование технологической схемы подготовки руды к доменной плавке. Расчет массы и состава шлака, образующегося в доменной печи при выплавке чугуна. Определение состава и количества конвертерного шлака.
  
  курсовая работа [1,7 M], добавлен 06.12.2010
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам