НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

СИВАЧЕНКО Віктор Михайлович

УДК 669.15'74.782

РОЗРОБКА І ВПРОВАДЖЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ЗМІЦНЕННЯ

МАРГАНЦЕВОРУДНОГО АГЛОМЕРАТУ І ВИПЛАВКИ

КОНКУРЕНТОЗДАТНОГО ФЕРОСИЛІКОМАРГАНЦЮ

05.16.02 - Металургія чорних металів

А в т о р е ф е р а т

на здобуття наукового ступеня кандидата

технічних наук

Дніпропетровськ

2002 р.

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Українському державному науково-дослідному інституті спеціальних сталей, сплавів і феросплавів Міністерства промислової політики України і Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор

Овчарук Анатолій Миколайович

Національна металургійна академія України, професор

кафедри електрометалургії.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор

Ковальов Дмитро Арсентійович,

Національна металургійна академія України, професор кафедри металургії чавуну.

Кандидат технічних наук

Шестаковський Олег Флорович,

Інститут "Діпросталь", м. Харків, завідувач феросплавним відділом.

Ведуча організація:

Запорізька державна інженерна академія Міністерства освіти і науки України, кафедра чорних металів, м. Запорожжя.

Захист відбудеться “ 16” квітня 2002 р. о 1200 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 Національної металургійної академії України за адресою : 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розісланий “14” березня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Виснаження запасів високосортних марганцевих окисних руд, що використовуються для виробництва високоякісних феросплавів, викликало необхідність залучення у виробництво усе більшої кількості низькосортних окисних і карбонатних марганцевих концентратів з низьким вмістом марганцю, високим вмістом кремнезему і фосфору, великою втратою маси при термічній обробці (13-30%).

Погіршення якості марганцевої сировини приводить до збільшення матеріало- і енерговитрат при її підготовці до подальшої металургійної переробки. Це ускладнює виробництво якісних марганцевих феросплавів, які були б конкурентоспроможними на світовому ринку.

Рішення проблемних задач, зв'язаних з подальшою перспективою розвитку вітчизняної сировинної бази і раціонального використання сировини, палива, електроенергії та існуючих виробничих потужностей робить необхідним удосконалення діючих і створення нових науково-обгрунтованих, високоефективних технологій. Вони повинні сприяти підвищенню якості підготовки марганцеворудної сировини до електроплавки на кожній стадії її підготовки.

В даний час найбільш продуктивним і економічно вигідним способом підготовки марганцеворудної сировини є агломерація. Її підлягає більш ніж 80% марганцевих концентратів. Не зважаючи на загальний спад в промисловості за останні роки обсяг виробництва агломерату сьогодні збільшується і у 2000 році склав понад 1,5 млн. т. З його використанням виплавлено 1140 тис. т марганцевих феросплавів. Проектна потужність агломашин, які використовуються для окускування марганцевої сировини складає більш ніж 3,2 млн.т агломерату за рік. З огляду на значний обсяг виробництва марганцевого агломерату, а також ріст вимог металургів до його якості, виникла необхідність розробки технології і підвищення якості агломерату шляхом механічного ущільнення аглоспеку, поліпшення теплового режиму й оптимізації технологічних параметрів процесу. Використання комплексу зазначених заходів дозволить підвищити металургійну цінність агломерату, поліпшити техніко-економічні показники виплавки і якість марганцевих феросплавів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до тематичних планів інституту “УкрНДІспецсталь”, шифр 1.9-3К-90 і 1.9-2К-12.4, Національної програми розвитку і реформування гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року від 06.10.1998 № 166-IV.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень даної дисертаційної роботи є розробка технологічних схем і способів зміцнення марганцеворудного агломерату, поліпшення його металургійних властивостей, зниження питомої витрати паливно-енергетичних ресурсів і підвищення техніко-економічних показників виробництва марганцевих сплавів.

Об'єкт досліджень – технології виробництва марганцевого агломерату і виплавки феросилікомарганцю в рудовідновних печах РПЗ-48.

Методи досліджень – петрографічний, рентгеноспектральний, хроматографічний і хімічний аналізи, механічна міцність на удар.

Наукова новизна отриманих результатів. На підставі критичного аналізу сучасного стану і перспектив розширення марганцеворудної сировинної бази, а також теоретичних і експериментальних досліджень автора, розроблені технологічні схеми окускування низькосортних окисних і карбонатних концентратів, які спрямовані на підготовку сировини до електрометалургійного переробу і виплавки марганцевих феросплавів:

- виявлено основні причини зниження міцності марганцевого агломерату, виробленого за діючою технологією, визначено вплив температурного режиму процесу спікання аглошихти на металургійні властивості і якість агломерату;

- встановлено основні закономірності зміни степені відновлення, електроопору і міцності агломерату в залежності від хіміко-мінералогічного складу марганцевої сировини;

- теоретично обґрунтовано і розроблено технології зміцнення агломерату шляхом ущільнення і рекристалізаційного відпалу аглоспеку, що забезпечили підвищення міцності агломерату, зниження питомої витрати палива і збільшення частки використання карбонатних концентратів в аглошихті;

- методом математичної статистики встановлено вплив якості агломерату на питому витрату електроенергії і витяг марганцю при виплавці феросилікомарганцю в електропечах РПЗ-48 ВАТ “НЗФ”.

Практична цінність і реалізація результатів роботи:

- на підставі результатів лабораторних і дослідно-промислових випробувань існуючих і розроблених технологій виробництва марганцеворудного агломерату оптимізовано основні технологічні параметри процесу спікання, що дозволяють ефективно втягувати у виробництво низькосортні окисні і карбонатні марганцеві концентрати Нікопольского родовища;

- впроваджено і освоєно в промислових умовах ОАО “НЗФ” технології зміцнення агломерату ущільненням і рекристалізаційним відпалом аглоспеку, що забезпечили підвищення його якості, збільшення виходу придатного агломерату з аглошихти і економію твердого палива;

- показана ефективність використання зміцненого марганцевого агломерату при виплавці марганцевих сплавів у промислових електропечах потужністю 48 МВА;

- впровадження на ВАТ “НЗФ” розроблених і приведених у дисертаційній роботі технологій дозволило одержати економічний ефект в сумі 3275 тис.гривень, що підтверджено актом впровадження ВАТ "НЗФ".

Особистий внесок здобувача полягає в розробці технологій зміцнення марганцевого агломерату шляхом ущільнення, рекристалізаційного відпалу аглоспеку та у визначенні оптимальних технологічних параметрів процесу агломерації. Автором теоретично обґрунтовані розроблені технології виробництва агломерату з низькосортних окисних і карбонатних марганцевих концентратів з ущільненням і додатковою термообробкою аглоспеку. Виконано експериментальні і промислові дослідження властивостей зміцненого агломерату при виплавці феросилікомарганцю, оброблені отримані результати, сформульовані основні положення дисертації викладені в рекомендаціях і висновках. Науково-технічна розробка технології рекристалізаційного відпалу аглоспеку захищена а.с. СРСР 1497246.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи викладено на V Всесоюзній нараді по металургії марганцю в м. Нікополь, 1991р., на міжнародних конференціях "Теорія і практика електротермії феросплавів", м. Нікополь, 1996р., "Актуальні проблеми і перспективи електрометалургійного виробництва", м. Нікополь, 1999р., на науково-технічних семінарах УкрНДІспецсталі і кафедри електрометалургії НМетАУ, науково-технічних радах ВАТ “НЗФ”.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 друкованих праць, з них 3 у спеціалізованих наукових журналах, 4 у тематичних збірниках наукових праць, отримане авторське посвідчення СРСР, матеріали роботи викладені в тезах 3-х доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг роботи. Робота складається з вступу, п'яти глав, висновків, списку літератури з 129 найменувань, додатка і містить 156 сторінок машинописного тексту, 32 рисунки і 25 таблиць.

Автор щиро дякує наукового керівника роботи докт.техн.наук, професора А.М.Овчарука, академіка НАН України, докт.техн.наук, професора М.І.Гасика, співробітників УкНДІспецсталі, НМетАУ і працівників Нікопольського заводу феросплавів за зроблену допомогу при виконанні досліджень, результати яких узагальнені в дисертації, і впровадження їх у виробництво на ВАТ "НЗФ".

АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ МАРГАНЦЕВОРУДНОЇ

БАЗИ, ПІДГОТОВКИ МАРГАНЦЕВИХ КОНЦЕНТРАТІВ ДО

МЕТАЛУРГІЙНОГО ПЕРЕДІЛУ І ВИПЛАВКИ

МАРГАНЦЕВИХ ФЕРОСПЛАВІВ

В даний час в Україні на ВАТ "НЗФ" і ВАТ "ЗФЗ" виробляється близько 1 млн.тон марганцевих сплавів. Для їхньої виплавки використовується більш як 2,5 млн.тон марганцевих концентратів різних сортів. З них близько 50% представлені низькосортними окисними та змішаними і більш 20% карбонатними концентратами. При цьому, загальний вміст марганцю в товарних окисних і карбонатних концентратах, що надходять на ВАТ "НЗФ", за період з 1975 по 1999 р. знизився з 41,9 до 36,6%.

Дефіцит високосортних окисних марганцевих руд обумовив необхідність збільшення частки використання низькосортних окисних і карбонатних концентратів, а також дрібнодисперсних вторинних марганецьвмісних матеріалів (пилу і шламів). Це привело до погіршення металургійних властивостей агломерату, зниження продуктивності агломашин і скрізного витягу марганцю та кремнію. Кожні 10% вмісту карбонатних концентратів в аглошихті приводять до зниження міцності агломерату на 0,6-0,7% абс. і збільшення кількості дріб'язку в ньому на 2-2,2%. Зниження міцності агломерату відчутно виявляється в його руйнуванні при транспортуванні по трактах подачі від агломашин до електропечей і безпосередньо в електропечі. Вміст дріб'язку фракції – 5 мм на колошнику печі змінюється від 8% - при показнику міцності 80%, до 22% - при показнику міцності 72%. Збільшення вмісту дріб'язку більш 5% у шихті електропечі значно погіршує її газопроникність, сприяє порушенню технологічного режиму плавки, утворенню “свищів” з викидами матеріалу. Кожен відсоток зниження міцності агломерату приводить до збільшення витрати електроенергії на 30-40 кВт.г/т сплаву при виплавці силікомарганцю та зниження витягу марганцю на 0,5-0,8%.

Характерною рисою процесу спікання аглошихти, до складу якої входять концентрати крупністю більше 10 мм і карбонатні концентрати, є висока пористість і низька міцність поверхневого шару спеку, частка якого складає 10...12% від його загальної маси, а також структурна хімічна неоднорідність агломерату.

Аналіз літературних даних показує, що через різкі коливання температури поверхневого шару спеку, дефіциту тепла в ньому і, як наслідок, недоліку сполучного розплаву, верхня частина спеку виходить пористою, слабозпеченою, легко руйнується і, здебільшого, що переходить у повернення. Міцність 1/3-1/4 частини висоти поверхневого шару спеку на 3-5% менше її іншої частини.

Істотне зниження міцності агломерату спостерігається при вмісті в ньому марганцю менш 43%. Характерною рисою структури такого агломерату, як правило, є високий вміст крихких силікатів і склоподібної фази, об'ємна частка якої складає 30-35%.

На показники виробництва і якість агломерату особливо відчутно впливає кількість карбонатів в аглошихті. Великі витрати тепла на термічну дисоціацію карбонатів і високі втрати маси при прожарюванні – до 30%, гранулометрична і хімічна неоднорідність сприяють високому градієнту температур, дефіциту тепла в зонах горіння і формування спеку, зі значною кристалізаційною диференціацією. Структура такого агломерату характеризується різноманіттям фазових складових у межах сполучних між собою сусідніх кристалів. Найбільш вираженою сполучною фазою в таких агломератах є скло, силікати кальцію і марганцю, що характеризуються високою крихкістю і низькою твердістю. Більш того, у структурі агломерату зберігаються релікти не асимільованих включень –рудних шматків, кварцу, вапна та ін. Останні, у процесі формування й охолодження спеку, створюють умови для виникнення різного роду напруг, що викликають утворення тріщин і наступне руйнування агломерату.

Існують різні способи зниження негативного впливу хімічної і фізичної неоднорідності аглошихти на якість агломерату, серед яких такі як додаткове здрібнювання, усереднення та інші, які вимагають значних енергетичних витрат, наявності відповідних площ і устаткування.

Останнім часом усе більше уваги приділяється тепловому режиму процесу агломерації. З цією метою підвищують висоту спікаючогося шару, захищають поверхню аглоспеку від впливу холодного повітря, підводять додаткове тепло ззовні та ін. Порівняння різних технологій зміцнення агломерату і підвищення продуктивності агломашин показало, що найбільш ефективними, стосовно до марганцевих концентратів, можуть бути технології, що сприяють поліпшенню теплового режиму процесу шляхом додаткового підведення тепла і механічного ущільнення аглоспеку, що знаходиться в розм'якшеному стані.

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

РУДНОЇ ЧАСТИНИ АГЛОШИХТЫ НА УМОВИ ФОРМУВАННЯ

МАРГАНЦЕВОГО АГЛОМЕРАТУ

Процес спікання насипної шихти визначається, насамперед, фізико-хімічними властивостями і теплообміном між матеріалом і газом. З'ясування залежностей між фізико-хімічними властивостями шихтових матеріалів, витратою палива, швидкістю фільтрації повітря, режимом нагрівання шару від зовнішнього джерела й інших параметрів, з одного боку, і температурним режимом у шарі, швидкістю переміщення тепла, спікання шихти й охолодження агломерату, з іншого боку, дозволило встановити взаємозв'язок зазначених факторів з показниками процесу агломерації і якістю агломерату. Для встановлення зазначених взаємозв'язків у роботі виконано термічний аналіз різновидів марганецьвмісних мінералів – піролюзиту, псиломелану і манганіту, якими представлені нікопольські оксидні і карбонатні марганцеві руди. Дослідженнями встановлено, що ці мінерали являють собою цілий ряд нестехіометричних з'єднань складного складу. Твердофазні перетворення в них протікають у широкому температурному інтервалі при досить високих температурах (більш як 1000оС) аж до розплавлення.

Екстремуми виділення вологи практично для всіх трьох різновидів рудних зразків знаходяться в інтервалі температур 400…600оС. Піки ендотермічних ефектів, що характеризують розкладання мінеральних складових, спостерігається починаючи з 400оС – розкладання манганіту MnOH(Mn2O3ЧH2O), потім при 645…700оС – розкладання піролюзиту (MnО2) і при більш високих температурах – 990…1000оС - розкладання курнакіту (Mn2O3).

Розкладання карбонатних мінералів характеризується двома групами піків ендотермічних ефектів при температурах 400…600оС і 700…840оС. Характерною рисою розкладання цих мінералів є значна втрата ваги, у результаті чого зразок стає пухким і легко руйнується, яка на першій стадії склала 13…19%, на другій - 7,7…13%

Дослідження кінетики розкладу карбонатних марганцевих концентратів різного фракційного складу (рис. 1) показали, що низькі температури 400…600оС не дозволяють досягти глибокої степені декарбонізації. Збільшення температури до 900…1000оС забезпечує високу швидкість протікання процесу і глибоку степінь дисоціації. Зі збільшенням діаметру часток степінь розкладу карбонатів знижується.

Дослідження температурних режимів процесу спікання шихт з окисного, карбонатного концентрату і їхньої суміші показали, що максимальна температура в шарі шихти із карбонатних концентратів на 40…500С вище (рис.2а), чим для окисних концентратів t/max>tmax (б). Зі збільшенням частки карбонатного концентрату в шихті час (t) перебування матеріалів у зоні максимальних температур, найбільш сприятливих для протікання процесів дисоціації (більш 10000С), скорочується (рис.3). Швидкість охолодження розплаву і спеку (зона III для кривої 1, рис.2) при спіканні карбонатного концентрату складає 6,0…6,50С/с, для окисного 3,0…3,50С/с. Більше значення температурного максимуму обумовлено температурою плавлення карбонатвмісних компонентів шихти, що вище, ніж для окисних, а скорочення часу перебування матеріалів у зоні максимальних температур - охолоджуючою дією ендотермічних процесів, пов'язаних з дисоціацією карбонатів марганцю та кальцію (рис.3).

Рис.1. Кінетичні криві розкладу нікопольських карбонатних концентратів. Температура, К: 1 – 873; 2 – 973; 3 – 1073; 4 – 1173; 5 – 1273.

Фракція, мм: 5-10 (а); 10-20(б); 20-30(в).

Дослідженнями складу газової фази по зонах спікаючоїся аглошихти встановлено, що при спіканні карбонатних концентратів із зони охолодження спеку в газову фазу виділяється значна кількість двоокису вуглецю (рис. 4). Це можливо, якщо припустити, що процес декарбонізації продовжується після кристалізації розплаву. Дослідження повноти дисоціації карбонатних концентратів різної фракції в тепловому режимі, характерному процесу агломерації, підтвердили дане припущення і дозволили установити залежність степені дисоціації (a) від диаметру (d) часток карбонатного концентрату. Ця залежність виражається наступним рівнянням 1 (рис. 5):

a = 119,66 d-0,2985 (1)

Лабораторними дослідженнями встановлено, що в умовах агломерації цілком дисоціюють карбонатні концентрати крупністю 0…3 мм, частка яких у промислових умовах складає 25…30%. Загальна кількість карбонатних концентратів, що не розклалися до початку кристалізації розплаву, що утворився, складає 40…45% від загальної їхньої маси.

Таким чином, термічний аналіз окисних і карбонатних марганцевих концентратів Нікопольського родовища показав, що через швидкотекучість процесу агломерації, короткочасність перебування рудних матеріалів у зоні температур, що забезпечують максимальну повноту і швидкість їхнього розкладу, а також через велику крупність карбонатних концентратів, дисоціація яких продовжується після кристалізації сполучного розплаву, у структурі спеку продовжуються фізико-хімічні перетворення, що приводять до зниження міцності чи руйнування агломерату в період охолодження чи наступного нагрівання на колошнику електропечі.

Рис.2. Зміна температури в шарі спікаючоїся аглошихти

1, 2, 3 - температурні криві на висоті 300, 200 і 100 мм

від колосникових ґрат, відповідно.

І, ІІ, ІІІ – зони нагрівання шихти, максимальних температур (більш 10000С) і охолодження спеку, відповідно.

Рис. 3. Залежність величини температурного максимуму (tmax) і часу перебування аглошихти (t) у зоні високих температур від масової частки карбонатного концентрату (Кр) у шихті.

Рис. 4. Зміна складу газової фази при спіканні аглошихти:

а – окисний марганцевий концентрат другого сорту; б – карбонатний марганцевий концентрат: --- крива зміни температури в шарі спікаючоїся шихти

Рис. 5. Степінь дисоціації карбонатних концентратів

різної фракції в умовах агломерації

1 – експериментальна крива, 2 – розрахункова крива

Для більш повного завершення процесу розкладання рудних мінералів необхідне збільшення тривалості перебування матеріалів у зоні максимальних температур. Для карбонатних концентратів рекомендовано зниження максимальної межі крупності до 3 мм. Вміст карбонатів в аглошихті доцільно обмежити в межах 35...40%.

ДОСЛІДЖЕННЯ ВЗАЄМОЗВ'ЯЗКУ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ

ПРОЦЕСУ СПІКАННЯ АГЛОМЕРАТУ З ЙОГО МЕТАЛУРГІЙНИМИ

ВЛАСТИВОСТЯМИ І СТРУКТУРОЮ

Петрографічні дослідження мікроструктури марганцевих агломератів із нікопольських оксидних концентратів I, IБ, II сортів і карбонатних, а також їхньої суміші, взятих у різних співвідношеннях показали, що незалежно від вмісту марганцю і сорту сировини мікроструктура агломерату представлена гаусманітом (Mn3O4), тефроїтом (Mn2SiО4), твердими розчинами типу СаОЧMnOx і склом. В агломератах зі вмістом марганцю від 43- 48% до 80% марганцю знаходиться у виді гаусманіту, що утворює щільні скупчення дрібних і великих кристалів. Кількість склоподібної фази не перевищує 10...15%. Зі зниженням вмісту марганцю нижче 43% в агломераті збільшується кількість кальцієвих і марганцевих силікатних фаз, а також скла. Скло має складний склад, крім кремнезему, як основи, воно містить у собі ряд оксидів інших елементів. Кількість вільних оксидів марганцю знижується, а об'ємна частка скла збільшується до 30...40%. Агломерат із карбонатних концентратів відрізняється від агломерату з окисних концентратів тим, що в ньому міститься більша кількість твердих розчинів на основі оксидів кальцію і марганцю.

Дослідженнями металургійних властивостей агломератів із суміші оксидних концентратів встановлено, що зі зниженням вмісту марганцю відновність і міцність агломерату погіршуються. Продуктивність установки також знижується.

Характерною відмінністю для агломератів із суміші окисних і карбонатних концентратів є те, що зі збільшенням частки карбонатних концентратів відновність агломерату зростає при деякім зниженні питомого електроопору. Поліпшення відновності викликане тим, що зі збільшенням вмісту оксиду кальцію в шихті відбувається його зв'язування в силікати, у виду більшої спорідненості СаО до SiО2, чим оксиду марганцю до SiО2 і значна частина марганцю залишається вільною у виді MnО чи вторинного гаусманіту (Mn3O4). Однак, із ростом кількості силікатів кальцію міцність агломерату погіршується. Продуктивність аглоустановки також знижується. Значне зниження міцності спостерігається при збільшенні вмісту карбонатних концентратів у шихті більш 40%, що рекомендується враховувати при спіканні.

В промислових умовах досліджено вплив основних технологічних параметрів – вологості аглошихти (W), гранулометричного складу (М), вмісту палива (КТ), температури запалювання (Т), розрідження (Р), висоти шару (Н) і вмісту карбонатного концентрату (Кр) на питому продуктивність (П) і вихід придатного агломерату з аглошихти (К). В результаті статистичної обробки масиву даних отримані рівняння регресії, що описують процес спікання агломерату з досить високим ступенем вірогідності і придатні для розробки алгоритму АСУ ТП і аналізу показників роботи агломашин:

-для агломерату АМНВ-1 (45-48 % Mn; 19-21% SiО2; 3,5% CaО; 1,3-2,5% MgО)

П = -7,466615+0,439636КТ+0,003747Р+0,006847Т-0,04194К2т-0,0028W2-

-0,0005KTT + 0,000583KTP+0,00843KTW+0,000572KTH-0,000003TP-

-0,000004PH, т/м2Чгод, R = 0,875; (2)

К = -74,015884 + 10,68271КТ+0,17902Т-3,708654W-0,164455H-

- 0,392596K2T - 0,196877W2 - 0,011497KTT + 0,89873KTW-

- 0,000087TP + 0,001444TW + 0,000282PH, %; R = 0,910; (3)

- для агломерату марки АМНВ-2 (38-40% Mn; 22-25% SiО2; 4-5,5% CaО; 1,7-2,3% MgО)

П = - 7,021841 + 0,664081КТ + 0,056144W - 0,051364Kp - 0,047633K2T -

- 0,003373W2 - 0,000056K2p - 0,000266KTT + 0,000187KTP +

+ 0,001676KTW + 0,0002444KTH + 0,000241KTKp+ 0,000042TKp, R = 0,863(4)

K = - 80,12618 + 6,14132KT + 0,092436T + 2,239724W + 0,059841Kp -

- 0,32323K2T - 0,225223W2+ 0,003661K2P - 0,005162KTT + 0,390116KTW

+ 0,008612KTKP + 0,000013TP + 0,000045TH -0,008149WKP. R = 0,890 (5)

Додатково отримані часткові рівняння регресії, що дозволяють робити оперативні розрахунки величин основних технологічних параметрів процесу спікання за заданими показниками продуктивності агломашин і якості агломерату.

ДОСЛІДЖЕННЯ, РОЗРОБКА І ПРОМИСЛОВЕ ОСВОЄННЯ

ТЕХНОЛОГІЇ ЗМІЦНЕННЯ МАРГАНЦЕВОГО АГЛОМЕРАТУ

В лабораторних і промислових умовах досліджені технології зміцнення агломерату за допомогою рекристалізаційного відпалу й ущільнення аглоспеку в розм'якшеному стані.

Термообробку аглоспеку (рудна частина шихти містила 56% концентрату II сорту, 37% карбонатного концентрату і 7,0% палива) проводили в дві послідовні стадії при температурах від 950 до 1150оС на першій стадії і від 700 до 900оС на другій у різних комбінаціях (див. табл.1), з витримкою 2 хв. на кожній стадії. Необхідність термообробки в дві стадії викликана тим, що на першій стадії вона проводиться з метою зниження кількості скла, а на другій стадії – щоб уникнути вторинного склоутворення після термообробки на першій стадії, а також для ліквідації внутрішніх термічних напружень при розкристалізації скла. Петрографічний аналіз зразків агломерату показав, що при тепловій обробці аглоспеку в інтервалі температур 1000…1050оС на першій стадії і 800…900оС на другий, кількість скла знизилося з 30…34% у невідпаленому агломераті і до 11...15% у відпаленому. Найкращі результати досягнуті при відпалі аглоспеку після закінчення 60% загального часу спікання. Міцність агломерату, у порівнянні з базовою, збільшилася на 1,5...2,5%, вихід придатного на 1,5...2,0%.

Лабораторними дослідженнями технології ущільнення аглоспеку встановлено, що воно найбільш ефективне при використанні карбонатного концентрату і крупнокускових матеріалів в аглошихті. Незалежно від речовинного складу шихти, максимум продуктивності і міцності агломерату досягається при впливі на аглоспек після закінчення 50...65% загального часу спікання. При цьому питома продуктивність аглоустановки збільшується на 4...5%,а вихід придатного агломерату з аглоспеку на 3,5…4,5%

Промислові випробування технології рекристалізаційного відпалу аглоспеку проводилися при використанні додаткового 4-х метрового газового горну, установленого на 4-й агломашині ВАТ "НЗФ" у зоні 14…15 вакуумкамер. Опалення горну здійснювалося двома парами тангенціальних пальників бічного розташування. Витрата природного газу змінювалася в межах 360-440нм3/год, в залежності від температури, що задається, (див. табл.1). Витрата повітря склала 6800 м3/ч.

Найбільший ефект від відпалу досягнуто при витраті природного газу 390…400нм3/год і температурі в горні 1020…950оС. Об'ємна частка скла в агломераті знизилася з 30...35% до 8...15%, міцність агломерату збільшилася на 1,6...2,5%. Степінь розкладу карбонатів зросла до 88-92%.

Петрографічний аналіз агломерату показав, що в процесі додаткової теплової обробки завершується повсюдний розпад твердих розчинів. Вищі оксиди розпадаються на нижчі і металеву фазу (дисперсні корольки металу). Відбувається розкристалізація скла з утворенням суміші з дрібнокристалевої маси, оксидів і сульфідів марганцю. Взаємодія твердих розчинів оксидів кальцію і марганцю зі склоподібною фазою забезпечує утворення додаткових порцій силікатів складного складу. Усі процеси супроводжуються частковим зняттям термічних напруг, що дозволяє підвищити міцність агломерату.

Таблиця 1

Параметри роботи додаткового горна й основні показники

виробництва агломерату з відпалом аглоспеку

Марка агломерату Температура в додатковому горні, оС Швидкість руху аглострічки, м/хв Продуктивність, т/(м2.ч) Вихід придатного із шихти, % Показник міцності, % Вміст фракції – -5 мм, %

АМНВ-2 700-800 1,90 0,858 50,8 76,7 2,7

800-850 1,85 0,869 52,7 77,0 2,1

950-1000 1,84 0,862 52,7 77,8 2,4

1100-1150 1,62 0,795 55,3 75,7 4,9

без відпалу 1,93 0,865 50,4 76,2 2,9

АМНШ 700-800 1,73 0,843 53,8 77,2 3,1

800-850 1,75 0,858 53,8 77,7 2,8

960-1020 1,74 0,888 56,1 78,8 2,3

1080-1140 1,65 0,786 52,3 75,4 4,6

без відпалу 1,84 0,853 51,0 76,3 3,5

АНАЛІЗ ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ І ЕКОЛОГІЧНИХ АСПЕКТІВ ВИПЛАВКИ ФЕРОСИЛІКОМАРГАНЦЮ З ЗАСТОСУВАННЯМ МАРГАНЦЕВОГО АГЛОМЕРАТУ ПІДВИЩЕНОЇ МІЦНОСТІ

Промислові випробування зміцненого марганцевого агломерату АМНВ-2 при виплавці товарного феросилікомарганцю, проведені на печі РПЗ-48, показали високу ефективність його використання. Установлено, що продуктивність електропечі зросла на 1,2…1,8% при одночасному зниженні питомої витрати електроенергії на 48-58 кВт.г/б.т сплаву.

На підставі промислових даних отримані математичні залежності питомої витрати електроенергії (Qпит) і витягу марганцю (hMn) від міцності агломерату (Пр), (мал. 6):

hMn = 86,0 – 0, 018 (93,96 – Пр)2, 68<Пр<86 R =0,996 (6)

Qпит = 3,946 + 1,295Ч10-3(Пр – 91,8)2, (тис.кВт.г/т) R =0,96 (7)

Оцінка економічної ефективності виробництва зміцненого агломерату і виплавки феросилікомарганцю з його використанням показала, що технологія рекристалізаційного відпалу аглоспеку забезпечила приріст міцності агломерату на 1,6%, збільшення виходу придатного з аглошихти з 50,4 до 52,7%, зниження енергетичних ресурсів на 20,2 МДж/т агломерату й економію марганцевої сировини (48% Mn) – 4,03 кг на 1б.т. феросилікомарганцю.

Впровадження технології ущільнення аглоспеку на 3-х агломашинах дозволило збільшити вихід придатного з 51,7 до 53,2%, знизити питому витрату палива (коксовий дріб'язок) на 2,7 кг/т агломерату і підвищити витяг марганцю при виплавці феросилікомарганцю на 0,14%.

Рис. 6. Залежність питомої витрати електроенергії (Qпит) і витягу

марганцю (hMn) від міцності агломерату.

Використання розроблених технологій в умовах діючого виробництва, оснащеного необхідним газоочисним і аспіраційним устаткуванням, поліпшило екологічну обстановку навколишнього середовища.

Впровадження технології рекристалізаційного відпалу аглоспеку забезпечило підвищення міцності агломерату і зниження кількості повернення, що дозволило скоротити пиловикиди, що утворяться при транспортуванні матеріалів, у навколишнє середовище до 515 т/рік при обсязі виробництва 650 тис.т у рік агломерату.

Впровадження технології ущільнення аглоспеку дозволило знизити запиленість газів перед останньою ступінню газоочистки, що скоротило викиди пи-

лу в атмосферу на 4,1...5,0% відн.

Загальний економічний ефект від впроваджених заходів, за рахунок зниження питомих витрат палива, марганцевої сировини й електроенергії, склав 3275 тис. гривень у рік.

ВИСНОВКИ

1. У дійсній роботі проаналізована якість марганцевої сировини, виконано порівняльний аналіз існуючих технологічних схем окускувания різних видів сировини в т.ч. способом агломерації. Систематизовано й узагальнено результати експериментальних і промислових досліджень технології спікання агломерату із низькосортних окисних і карбонатних марганцевих концентратів з руд Нікопольського басейну на стрічкових агломашинах типу АКМ-3-100. Методом порівняння переваг і недоліків процесу агломерації встановлено найбільш характерні фактори, що роблять визначальний вплив на металургійні властивості агломерату, продуктивність агломашин і показники виплавки марганцевих феросплавів.

2. У лабораторних умовах досліджено тепловий режим процесу спікання марганцевої сировини зі зміною вмісту карбонатних концентратів у шихті від 0 до 100%. Встановлено, що з підвищенням частки карбонатного концентрату в аглошихті росте витрата тепла на дисоціацію, швидкість охолодження спеку збільшується з 3,6…3,5до 6,0…6,5оС/с. Час перебування матеріалів у зоні температур початку розм'якшення і вище скорочується в 2,5...3 рази, що погіршує умови формування спеку і якість агломерату.

Визначено, що максимальний вміст карбонатних концентратів в аглошихті, що забезпечує задовільні умови процесу агломерації, складає не більш 40%.

3. Досліджено вплив фракційного складу марганцевих карбонатних концентратів і температури їхнього відпалу на степінь розкладу карбонатів. Встановлено взаємозв'язок степені розкладу карбонатних концентратів від їх крупності в температурних умовах процесу агломерації, що виражається степеневою функцією a = 119,7 d-0,2985.

4. Досліджено склад газової фази спікаючогося шару аглошихти по зонах спікання. Встановлено, що при спіканні карбонатвмісних шихт крупністю більш як 3 мм процес дисоціації карбонатів продовжується в зоні охолодження спеку. Це приводить до руйнування агломерату, виникнення різного роду термічних напруг понижуючих його міцність. Показано, що в процесі агломерації цілком дисоціюють тільки частки крупністю до 3 мм. Кількість непродисоційованих карбонатів складає 40…45% від їхньої загальної маси.

5. Визначено основні фазові складові агломерату і їх кількісний склад. Мікроструктура представлена в основному гаусманітом (Mn3O4), тефроїтом (Mn2SiО4), у меншій мірі глаукохроїтом (CaMnSiО4), родонітом (MnSiО3), твердими розчинами типу СаО-MnOx і склом. Показано, що з ростом вмісту марганцю в агломераті кількість склоподібних фаз знижується і при 47-48% Mn не перевищує 10-15%, а кількість вільних оксидів марганцю збільшується. В агломератах, що містять менш 43% Mn, кількість скла збільшується до 30-40%, а частка вільних оксидів марганцю не перевищує 65%.

З підвищенням частки карбонатних концентратів у шихті в структурі агломерату збільшується вміст твердих розчинів оксидів кальцію і марганцю.

6. Досліджено металургійні властивості (степінь відновлення, питомий електроопір, міцність на стиск) агломерату. Встановлено, що відновність марганцю з агломерату зростає прямо пропорційно збільшенню вмісту вільних оксидів марганцю, зокрема, гаусманіту. Питомий електроопір знижується.

Зі збільшенням кількості кристалічних фаз у структурі агломерату міцність його зростає. Мінімум міцності спостерігається при вмісті марганцю 41...43%.

7. Досліджено вплив технологічних параметрів процесу спікання і кількості карбонатного концентрату в аглошихті на показники виробництва і металургійні властивості агломерату. Встановлено, що з введенням в аглошихту карбонатних концентратів, вихід придатного агломерату з аглоспеку, питома продуктивність аглоустановки і міцностні характеристики агломерату знижуються. Найбільш відчутне зниження цих характеристик спостерігається при збільшенні частки карбонатних концентратів вище 40%. Відзначено, що з ростом частки карбонатів, степінь відновлення марганцю з агломерату підвищується, що істотно підвищує придатність останнього для подальшого переділу в електропечах.

На основі експериментальних даних лабораторних і промислових досліджень отримані рівняння регресії, що описують вплив речовинного складу шихти і технологічних параметрів процесу спікання на показники виробництва і якість агломерату. Визначено і рекомендовано до використання в промислових умовах оптимальні межі основних технологічних параметрів агломераційного процесу.

8. В лабораторних і промислових умовах виконано дослідження впливу теплової обробки аглоспеку на показники процесу спікання і якість агломерату. Показано, що термообробка поверхні аглоспеку протягом 3…4 хв. після закінчення 60% загального часу спікання в дві послідовні стадії при температурах 1000…1050оС на першій і 800…900оС на другій дозволяє провести відпал агломерату практично по всьому об'єму. Вміст склоподібних фаз у структурі агломерату знижується з 30...35% до 11...13% об'ємних, а міцність збільшується на 2,5...3%.

9. Розроблено, досліджено в лабораторних умовах і впроваджено на аглофабриці ВАТ “НЗФ” технологію рекристалізаційного відпалу аглоспеку. Термообробка аглоспеку здійснювалася за допомогою установки на агломашині в районі 14…15-й вакуумкамер додаткового 4-х метрового горну. Найбільший ефект досягнуто при температурі в горні 1020…900оС і витраті природного газу 390…400нм3/г. Відпал аглоспеку забезпечив зниження об'ємної частки скла з 29…35 до 8...15% і підвищення міцності агломерату на 1,6-2,5%. Крім того, використання додаткового джерела тепла забезпечило економію твердого палива 6...7 кг/т агломерату при збереженні продуктивності агломашин. Степінь розкладання карбонатів зросла до 88...92%.

10. Розроблена і впроваджена в умовах ВАТ “НЗФ” технологія зміцнення агломерату за допомогою ущільнення аглоспеку. Показано, що застосування примусового ущільнення аглоспеку, що знаходиться в пластичному стані, після закінчення 50-60% загального часу спікання дозволяє знизити на 10...12% макропористість його верхньої частини, збільшуючи при цьому міцність агломерату і вихід придатного.

В промислових умовах ущільнення аглоспеку здійснене за допомогою обертового барабану діаметром 0,8 м і довжиною 2,4 м, установленого над агломашиною в зоні 10-ї вакуумкамери. Ущільнення аглоспеку на глибину 50...60 мм забезпечило ріст продуктивності агломашины на 3...5,5% і міцності агломерату на 0,8...1,3% у залежності від складу аглошихти.

11. Проведено промислові іспити агломерату марки АМНВ-2, зміцненого відпалом і ущільненням спеку, на печі РПЗ-48 при виплавці феросилікомарганцю. Продуктивність електропечі зросла на 1,2 і 1,8% при одночасному зниженні питомої витрати електроенергії на 48 і 58 кВт.г/б.т сплаву відповідно, як при використанні агломерату зміцненого ущільненням, так і відпалом аглоспеку. Реальний сумарний економічний ефект при виробництві агломерату і виплавці товарного феросилікомарганцю склав 3275,3 тис.гривень, що еквівалентно 712,03 тис. дол. США.

Основні положення дисертації опубліковано в роботах

1. Оптимизация технологических параметров агломерации /А.Г.Ященко, С.Г.Грищенко, Е.М.Мангатов, В.М.Сиваченко, И.Г.Кучер, А.А.Чайченко //Сб. АН СССР. “Теория и практика металлургии марганца”, М.: “Наука”. – 1990. – С.135-140.

2. Освоение технологии производства агломерата с уплотнением аглоспека /В.М.Сиваченко, А.Г.Ященко, В.Я.Щедровицкий, Н.Д.Черняев, В.П.Маляренко //Сталь. – 1990. - № 11. – С.45-47.

3. Освоение технологии производства агломерата с рекристаллизующим отжигом аглоспека /А.Г.Ященко, В.М.Сиваченко, Н.Д.Черняев, И.Г.Кучер, Н.М.Москалева // Сталь. – 1990.- № 12. – С.38-41.

4. Сиваченко В.М., Овчарук А.Н., Кучер И.Г. / Выплавка силикомарганца с использованием упрочненного марганцевого агломерата //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2000.- №2.- С.14-17.

5. Структурные превращения окисных и карбонатных марганцевых концентратов при термообработке /В.М.Сиваченко, А.Н.Овчарук, И.Г.Кучер //Материалы Междунар. научно-практ. конф. “Актуальные проблемы и перспективы электрометаллургического производства”. – Днепропетровск: Системные технологии. – 1999. – С.118-122.

6. Исследование технологии агломерации марганцевых концентратов //А.В.Коваль, М.И.Гасик, В.М.Катунин, Е.В.Лапин, В.М.Сиваченко. – Тр. международной научно-технической конф. “Теория и практика электротермии ферросплавов”. – Никополь, 1996. – С.82-84.

7. Оптимизация параметров подготовки марганцевых концентратов к электрометаллургическому переделу / В.М.Сиваченко, А.Н.Овчарук, В.А.Хухарев, П.Ф.Мироненко, В.Н.Надзоров // Материалы Междунар. научно-практ.конф. “Актуальные проблемы и перспективы электрометаллургического производства. – Днепропетровск: Системные технологии. – 1999. – С.127-129.

8. Влияние основных технологических параметров на показатели агломерации марганцевого сырья / А.Г. Ященко, В.М. Сиваченко, А.Д. Цюрюпа, А.Н. Овчарук // Тез.докладов 1У Всесоюзного совещания по металлургии марганца. Тбилиси, 1986. – С.63-65.

9. Сиваченко В.М., Ященко А.Г., Мангатов В.М. Технология производства агломерата с уплотнением аглоспека //Тез. докладов республиканской научно-техн.конф. “Проблемы научно-тех.прогресса электротермии неорганических материалов”. Днепропетровск, 1989. – С.32-33.

10. Температурный уровень процесса и состав газовой фазы при агломерации марганцеворудного сырья / В.М. Сиваченко, А.Г Ященко., А.А. Анохин, Н.И. Прочан // “Металлургия марганца”. Тез. докладов У Всесоюзного совещания.- Никополь, 1991. – С.74-75.

11. А.с. 1497246 СССР. МКИ С 22В 1/16, 47/00. Способ производства марганцеворудного агломерата /А.Г.Ященко, В.М.Мангатов, В.А.Сухоруков, В.М.Сиваченко, Н.Д.Черняев, И.Г.Кучер, А.Д.Цюрюпа, А.В.Кищенко, В.П.Маляренко, А.Ф.Воронов //Бюллетень изобретений. 1989. № 28, приоритет 14.09.87г.

Аннотация

Сиваченко В.М. Разработка и внедрение технологии упрочнения марганцеворудного агломерата и выплавки конкурентоспособного ферросиликомарганца . – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 – Металлургия черных металлов. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена вопросам повышения качества подготовки марганцеворудного сырья способом агломерации к электрометаллургическому переделу и улучшения технико-экономических показателей (ТЭП) производства марганцевых ферросплавов. На основе критического анализа современного состояния отечественной марганцеворудной базы выполнено сравнение существующих способов окускования марганцевого сырья при подготовке к дальнейшему металлургическому переделу.

Показано, что основными причинами снижения качества марганцевого агломерата и ТЭП производства марганцевых ферросплавов, в целом, являются: устойчивая тенденция к снижению содержания марганца в добываемых рудах и увеличение доли вовлекаемых в производство карбонатных концентратов, а также необоснованно высокая крупность концентратов, поступающих на агломерацию. Детально освещены и проанализированы особенности производства марганцевого агломерата в условиях Никопольского завода ферросплавов (ОАО “НЗФ”).

Для обоснования рационального выбора способа повышения качества агломерата, выполнен термодинамический анализ физико-химических процессов, протекающих при спекании марганцевого сырья, исследован температурный и газовый режимы процесса агломерации.

Показана доминирующая роль температуры и продолжительности ее воздействия в процессе получения агломерата на степень декаборнизации и дегидратации марганцевого сырья.

Экспериментально установлена взаимосвязь степени декарбонизации карбонатных концентратов с их фракционным составом в условиях агломерации. Показано, что диссоциация карбонатов продолжается после кристаллизации расплава в зоне охлаждения спека, вызывая возникновение внутренних термических напряжений и снижая прочность агломерата. На основании экспериментальных промышленных исследований установлена и математически описана взаимосвязь между технологическими параметрами процесса, видом сырья, производительностью агломашин и качеством агломерата.

Проведены петрографические и микрорентгеноспектральные исследования структуры и фазового состава неофлюсованных агломератов. Показано, что с понижением содержания марганца в концентратах и увеличением концентрации кремнезема в структуре агломерата растет количество хрупкой стекловидной фазы, снижается доля свободных оксидов марганца, ухудшаются восстановимость и прочность агломерата.

Исследовано влияние термообработки аглоспека в ходе агломерационного процесса на качество агломерата. Показано, что при термообработке аглоспека, в агломерате снижается в 2,5…3 раза количество стекловидной фазы, повышается прочность и улучшается восстановимость агломерата .

Разработана и внедрена в производство на ОАО “НЗФ” технология упрочнения агломерата посредством рекристаллизационного отжига и уплотнения аглоспека. Применение указанной технологии позволяет повысить прочность агломерата на 1,6…2,5%, увеличить производительность агломашин на 3…5% и снизить расход твердого топлива до 7 кг/т агломерата.

Приведены результаты промышленных исследований технологии выплавки товарного ферросиликомарганца на электропечи РПЗ-48 с применением упрочненного марганцевого агломерата. Применение агломерата, полученного с использованием технологии рекристаллизационного отжига и уплотнения спека, позволяет повысить извлечение марганца и снизить удельный расход электроэнергии до 58 кВт.ч/б.т сплава, улучшает экологическую обстановку в регионе и технико-экономические показатели производства марганцевых ферросплавов на ОАО “НЗФ”.

Ключевые слова: марганцевый концентрат, агломерат, прочность, ферросиликомарганец, тепловая обработка, термодинамика, декарбонизация, уплотнение, ферросплавы, эффективность.

Сиваченко В.М. Розробка і впровадження технології зміцнення марганцеворудного агломерату і виплавки конкурентоспроможного феросилікомарганцю. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.02 – Металургія чорних металів. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена питанням підвищення якості агломерату для електрометалургійного переплаву та поліпшення техніко-економічних показників виробництва марганцевих феросплавів. Проведено порівняльний аналіз сучасного стану марганцеворудної бази України, існуючих способів підготовки марганцевої сировини для електроплавки, досліджені, проаналізовані і узагальнені технологічні особливості спікання марганцевого агломерату в умовах Нікопольського заводу феросплавів.

У роботі викладені теоретичні обгрунтування технологічних способів підвищення якості агломерату із низькосортних окисних і карбонатних марганцевих концентратів.

На підставі проведених досліджень оптимізовані технологічні параметри процесу спікання, розроблено та впроваджено у виробництво на ВАТ “НЗФ” високоефективні і ресурсозаощаджувальні технології зміцнення агломерату з допомогою рекристалізуючого відпалювання та ущільнення аглоспеку. Досліджена і відпрацьована в промислових умовах технологія виплавки феросилікомарганцю з використанням зміцненого агломерату, яка забезпечила поліпшення техніко-економічних показників