МІНІСТЕРство освіти І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ванюкова Наталія Дмитрівна

УДК 622.788:669.181

ПОЛІПШЕННЯ МЕТАЛУРГІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЗАЛІЗОРУДНИХ

ОКУСКОВАНих МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ

ЕФЕКТИВНОСТІ ВИПЛАВКИ МЕТАЛУ

Спеціальність 05.16.02 - “Металургія чорних металів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України

Міністерства освіти і науки України

НАУКОВИЙ КОНСУЛЬТАНТ:

Доктор технічних наук, професор

КАМКІНА Людмила Володимирівна,

Національна металургійна академія України, Завідувач кафедрою теорії металургійних процесів і физичної химії, професор

ОФИЦІЙНІ ОПОНЕНТИ:

доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки України

Казачков Євгеній Олександрович

завідувач кафедрою теорії металургійних процесів Приазовського державного технічного університету (м.Маріуполь);

доктор технічних наук, професор

Губін Георгій Вікторович

завідувач кафедрою чорної металургії і ливарного виробництва Криворізького технічного університету (м.Кривий Ріг);

доктор технічних наук, професор

Петрушов Станіслав Миколайович

проректор Донбаського гірничо-металургійного інституту (м.Алчевск)

ПРОВІДНА УСТАНОВА:

Дніпродзержинський державний технічний університет (м.Дніпродзержинськ)

Захист відбудеться “ 09 ” 12 2003 р. о 15:00 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 в Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м.Дніпропетровськ, пр.Гагаріна, 4.

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

Автореферат розісланий “ 04 ” 11 2003 р.

В.О. Ученого секретаря

Спеціалізованої вченої ради,

Доктор технічних наук, професор______________________________Іващенко В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз якості окускованих залізорудних матеріалів – агломерату та обкотишів, вироблених в Україні за останні 10-15 років, показує, що поліпшення їх металургійних властивостей не відбувається і вони не повною мірою задовольняють вимогам доменної плавки. Досить сказати, що вміст дрібної фракції в товарному агломераті складає в середньому більш ніж 15 %, в той час як в закордонних аналогах - не більш 5 %. Зберігається істотна різниця між поведінкою агломерата і обкотишів при їх відновно-тепловій обробці в доменній печі. Запропоновано і розроблено ряд технологій по виробництву і проплавці в доменних печах частково відновлених матеріалів – вюститних, вюститно-магнетитових, магнетитових і частково окислених із варіюванням вмісту монооксиду заліза від 3 – 4 до 30 – 50%, а також вмісту вуглецю від 0,6 до 1,9 %. Використання у доменній печі залізорудних матеріалів, які попередньо були металізовані, забезпечує зниження витрат коксу (близько 7 %) і збільшення продуктивності (близько 8 %) на кожні 10 % металевого заліза в шихті.

При використанні губчатого заліза в конверторах і дугових електропечах до нього ставляться підвищені вимоги. Ступінь металізації, кількість шлакоутворюючих, вміст сірки, щільність і міцність є основними факторами, що визначають продуктивність, енергоємність процесу і якість металу.

Назріла необхідність розробки окускованих залізорудних матеріалів з металургійними властивостями, що забезпечують високу ефективність використання їх в металургійних агрегатах. У зв'язку з цим найважливішим і актуальним є створення і розвиток теоретичної бази управління якістю залізорудних окускованих матеріалів за допомогою інтенсифікації взаємодій у гетерогенних системах газ – тверде, рідина – тверде і розробка на цій основі нових технологічних прийомів і процесів виробництва агломерату і обкотишів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання роботи пов'язано з планами науково-дослідних робіт Міністерства промислової політики, Міністерства освіти і науки України, Національної металургійної академії України, Полтавського ГЗКа, Центрального ГЗКа, Рейн-Вестфальскої Вищої технічної школи (Інститут чорної металургії, м.Аахен, Німеччина).

Основу дисертації складають результати науково-дослідних робіт, виконаних під керівництвом або за особистою участю автора: № держ. реєстр. 01880028009 (виконавець); № держ. реєстр. 101890027961 (виконавець); № держ. реєстр. 01890034365 (виконавець); № держ. реєстр. 01900016079 (виконавець); № держ. реєстр. 01900032222 (керівник розділу); № держ. реєстр. 01910016505; № держ. реєстр. 01970014243 (керівник розділу); № держ. реєстр. 0102U005712 (керівник розділу); науково-дослідна робота в Рейн-Вестфальскій Вищій технічній школі (м.Аахен, Німеччина) 1996 – 1997 р (керівник).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є теоретичне обґрунтування, експериментальні дослідження і розробка методів, спрямованих на вирішення проблеми поліпшення металургійних властивостей залізорудних окускованих матеріалів для підвищення ефективності виплавки металу. Відповідно цього визначено задачі дослідження:

-

-

-

-

-

Об'єкт дослідження: процеси окускування залізорудних матеріалів з добавками твердого палива, виробництво обкотишів, агломерація і поєднаний процес металізації і спікання.

Предмет дослідження: металургійні властивості і технологія виробництва окускованих залізорудних матеріалів, агломерату, обкотишів і губчатого заліза.

Методи дослідження. При виконанні роботи залізорудні обкотиші виробляли з концентратів Полтавського, Північного і Центрального гірничо-збагачувальних комбінатів і інших родовищ. Зв'язуючими добавками були бентоніт, перидур і активовані лужноземельні бентонітові глини. Тверде паливо представлене коксиком і кам'яними вугіллями з різним вмістом летких речовин. Фізико-хімічні процеси, що протікають у суміші шихтових матеріалів досліджували методами термогравиметрії і диференційно-термічного аналізу з використанням дериватографа. Фазовий і мінералогічний склади окускованих матеріалів досліджували методами петрографічного аналізу. Дослідження сполученого процесу металізації і спікання рудовуглецевих обкотишів проводили на експериментальній установці високотемпературного відновлення в дослідницькому центрі підготовки руд у м.Отфрезен (Німеччина). Відпрацювання і визначення основних технологічних параметрів окускування, визначення металургійних властивостей виконані на експериментальних установках Національної металургійної академії України, Інституту “Механобрчормет” за методами Держстандарту України: ДСТУ 3195-95; ДСТУ 3196-95; ДСТУ 3200-95; ДСТУ 3202-95; ДСТУ 3205-95; ДСТУ 3206-95. Промислові випробування по отриманню нових видів металургійної сировини поліпшеної якості проведені на фабриках окомкування ЦГЗКа, ПівГЗКа, ПГЗКа, а дослідні доменні плавки на ВАТ металургійний завод ім. Петровського і на ВАТ Краматорський металургійний завод ім. Куйбишева. У роботі використані методи математичного і фізичного моделювання, математичної статистики і оптимізації для обробки і аналізу отриманих результатів.

На основі наукових узагальненнь, теоретичних розробок і експериментальних дослідженнь у лабораторних умовах та на промислових агрегатах вирішена важлива науково-прикладна проблема поліпшення металургійних властивостей залізорудних матеріалів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Одержали подальший розвиток наукові основи управління металургійними властивостями залізорудних окускованих матеріалів шляхом надання обкотишам і агломерату структурних особливостей, які забезпечують задану міцність в холодному стані і під час відновлювально-теплової обробки; це виникає за рахунок розроблених складів феритних і залізосилікатних зв'язок, які формуються при обпалі обкотишів, що вироблені з шихт із домішками вуглецю.

2. Вперше розроблені наукові основи управління складом шихт для одержання залізорудних обкотишів, що самовідновлюються, які полягають в оптимізації параметрів температурно-газового режиму обпалу для різних шихтових умов; в розробці критеріїв для оцінки фізико-хімічних процесів взаємодії вуглецю твердого палива із залізорудними концентратами: температурного рівню процесу, кількісті розплаву і ступеню використання вуглецю.

3. Вперше обґрунтована ефективність використання в доменній плавці нової окускованої залізорудної сировини – обкотишів, що самовідновлюються, та виконано прогноз перспективних режимів доменої плавки при використанні таких обкотишів. Показана можливість зниження витрат коксу і підвищення продуктивності домених печей за рахунок металізації ціх матеріалів у хімічно-резервній зоні доменної печі..

4. Вперше розрахунково-аналітичним шляхом обґрунтовані границі вмісту вуглецю в обкотишах, що самовідновлюються, після високотемпературної обробки, та встановлено розподіл концентрації вуглецю по об'єму обкотиша після окислювального обпалу.

5. Одержали подальший розвиток наукові основи окислення магнетиту і дисоциації кальциту, що протікають одночасно в шарі із температурою і концентрацією кисню, які змінюються; виконано комплексний аналіз параметрів окислювального обпалу залізорудних офлюсованих обкотишів; розроблені наукові основи управління рідкофазним спіканням за рахунок використання критеріїв, що визначають формування феритної зв'язки в структурі спека, яка забезпечує підвищення його міцності при відновлювально-тепловій обробці.

6. Вперше розроблені наукові основи управління сполученим процесом металізації і спікання рудовуглецевих обкотишів із промислових залізорудних концентратів у вузькому шарі при високотемпературній обробці сирих обкотишів. Для одержання стабільних фізичних і хімічних властивостей губчатого заліза обгрунтовані границі технологічних параметрів, одним з яких є вміст в'яжучої добавки - бентоніту.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблена динамічна математична модель масо- і теплопереносу при термічній обробці обкотишів, які одержані із шихт, що містять тверде паливо. Модель дозволяє прогнозувати розвиток процесів окислення, дисоциації і відновлення при обпалі обкотишів в шарі і якість одержуваного продукту.

2. Розроблені покращені види металургійної сировини - обкотиші, що самовідновлюються, багатошарові обкотиші і губчате залізо. Створено ефективні технології для їх виробництва з використанням твердого палива.

3. Розроблена технологія виробництва активованого бентоніту для одержання сирих обкотишів підвищеної якості, які забезпечують стабільність високотемпературної обробки окислених, частково-окислених і металізованих обкотишів.

4. По результатам досліджень і розробок дисертаційної роботи були проведені:

- промислові випробування технології виробництва обкотишів, що самовідновлюються, шляхом добавки в шихту твердого палива і виробництво дослідних партій цих обкотишів на Центральному і Північному гірничозбагачувальних комбінатах (м.Кривий Ріг);

- промислові випробування і виробництво дослідної партії обкотишів з вюститно-магнетитовою структурою шляхом одержання сирих багатошарових обкотишів та їх наступної термічної обробки на установках решітка – трубчаста піч – охолоджувач на Полтавському гірничозбагачувальному комбінаті (м.Комсомольск);

- дослідні доменні плавки з використанням нових видів окускованої сировини поліпшеної якості на ВАТ металургійний завод ім. Петровського (м.Дніпропетровськ) і на ВАТ Краматорський металургййний завод ім. Куйбишева (м.Краматорськ);

5. Впроваджена удосконалена технологія виробництва активованого бентоніту на Томаковському заводі керамзитового гравію (м.Марганець). Новий вид бентоніту використовується для виробництва обкотишів на ВАТ Центральний ГЗК (м.Кривий Ріг).

6. Фактичний економичний ефект від впровадження на ВАТ Центральний ГЗК (м.Кривий Ріг) технології обпалу залізорудних офлюсованих обкотишів з шихти із добавками твердого палива в 2000 році склав – 2005,5 тис. грн., особиста частка дисертанта – 200,0 тис.грн.

7. За рахунок впровадження технології окомкування залізорудних концентратів з добавкою бентоніту, який одержують активацією лужно-земельних глин попутної добичі по удосконаленій схемі, знижена собівартість обкотишів. Одержаний економичний ефект в 2001 році склав 280, тис. грн., особиста часка дисертанта – 180,0 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі узагальнені результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних особисто автором при проведенні науково-дослідних робіт у Національній металургійній академії України і у Рейн-Вестфальскій Вищій технічній школі (м.Аахен, Німеччина). У наукових працях, які наведени в авторефераті і виконани сумісно із співавторами автору належить: [2,17] розробка технології, обробка експеріментальних даних і наукове обгрунтування процесів формування феритних і залізосилікатних зв'язок; [18] аналіз структури границі розділу високоосновної і низькоосновної шихти; [19] розробка технології виробництва обкотишів, що самовідновлюються, на обпалювальній машині ОК-274, проведення експериментів, обробка і аналіз експериментальних даних; [20-22] розробка плану експерименту, обробка і аналіз експериментальних даних; [23-26] лабораторні дослідження, розробка методик; [11, 14, 16] постановка задачі, розробка методики, організація і проведення експериментів, обробка і аналіз експериментальних даних. Проведення промислових експериментів і впровадження результатів розробок здійснювалося при сприянні й участі співробітників НМетАУ, Інститута “Механобрчормет”, Центрального, Північного і Полтавського гірничозбагачувальних комбінатів, ВАТ металургійний завод ім. Петровского і ВАТ Краматорський металургійний завод ім. Куйбишева. Обробка даних, отриманих у ході досліджень, а також узагальнення результатів і висновки зроблені автором самостійно. Основні ідеї і наукові положення дисертаційної роботи розроблені і опубліковані особисто автором.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, включених у дисертацію, повідомлені: на ІІІ Міжнародному конгресі доменників (м.Новокузнецьк, Росія) – 1995 р.; на міжнародному конгресі доменників “Виробництво чавуну на рубежі сторіч” (м.Дніпропетровськ – м.Кривий Ріг) – 1999 р.; на III міжнародній конференції “Нові технології в металургії і матеріалознавстві” (Політехнічна академія, м.Ченстохов, Польща) – 2002 р.; на Міждержавній науково-технічній конференції “Сучасна металургія початку нового тисячоріччя” (м.Ліпецьк, Росія) – 2001 р.; Symposium of croatian metallurgists “Materials and Metallurgy” (м.Шибеник, Хорватія) – 2002 р.; на Х міжнародній науково-технічній конференції “Теорія і практика киснево-конвертерних процесів” (м.Дніпропетровськ) – 2002 р.; на міжнародній конференції “Теплотехніка й енергетика в металургії” (м.Дніпропетровськ) – 2002р. м.; на семінарі Prof. Dr. – Ing. H.W. Gudenau у RWTH (м.Аахен, Німеччина) – 1996 – 1997 р.; на семінарі Prof. Dr. – Ing. H.J. Lehmkuhler in Hause Mannesmann Demag Huttenchnick (м.Дуйсбург, Німеччина) – 1997 р.; на семінарі Dr. H. Kortmann у Studien – Gesellsсhaft fur Eisеnerzaufbereitung (м.Лібенбург – Отфрезен, Німеччина) – 1997 р.

Публікації. Результати роботи опубліковані у 22 статтях у фахових наукових журналах і збірниках; 4 доповідях на міжнародних конференціях, 2 авторських посвідченнях СРСР; 2 патентах України на винаходи.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу; 5 розділів; висновків; викладена на 354 сторінках машинописного тексту і включає 70 рисунків, 92 таблиці, 4 додатка і список використаних літературних джерел з 234 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

ПРОБЛЕМИ ПОЛІПШЕННЯ МЕТАЛУРГІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ окускованої ЗАЛІЗОРУДНОЇ СИРОВИНИ

Рішення задачі поліпшення металургійних властивостей окускованих залізорудних матеріалів шляхом підвищення фізико-механічних і фізико-хімічних характеристик засновано на пошуку нових закономірностей формування структури, що включає залізовмісні оксиди, зв'язки з залізосилікатів і ферітів кальцію, скло, твердий вуглець. Важливими фізико-механічними властивостями обкотишів, агломерату і губчатого заліза є міцність у холодному стані і при відновно-тепловій обробці в доменній печі, шахтних печах прямого відновлення, подових обертових печах і інших металургійних агрегатах. Визнаними критеріями стабільності є індекс на стирання після руйнування в барабані (вміст фракції – 0,5 мм) і індекс на удар (вміст фракції + 5 мм), як для іспитів у холодному стані, так і при відновно-тепловій обробці, а також опір стиску (кг/обкотиш), і вміст дрібної фракції (менш 5 мм). Підвищений вміст дрібних фракцій в окускованій сировині (більш 3,5 %), низька міцність у холодному стані (індекс на удар менш 90% для обкотишів і менш 80% для агломератів і індекс на стирання більш 3,0% для окатишів і 4,0% для агломератів), а також при відновно-тепловій обробці приводить до зниження інтенсивності доменної плавки і підвищення витрат коксу.

Міцність окускованих матеріалів визначає їх гранулометричний склад та ступінь подрібнення при транспортуванні і завантаженні в доменну піч, а також руйнування при відновленні, що впливає на газодинаміку доменної плавки. Найбільш важливими фізико-хімічними властивостями окускованих матеріалів є також відновлюваність і високотемпературні характеристики, які визначають формування в'язко-пластичної зони в доменній печі (зони когезії), що впливає на розподіл газового потоку в доменній печі і ефективність її роботи – продуктивність і витрати коксу. Агломерат і обкотиші мають істотну різницю в цих показниках, що для останніх виражається у низькіх основностях, температурах утворення розплаву і міцності при відновно-тепловій обробці, що приводить до збільшення висоти зони когезії і зв'язаних з цим порушеннь рівного ходу доменної печі. Міцність окускованих матеріалів у холодному стані і стабільність гранулометричного складу забезпечуються шляхом регулювання технологічних параметрів (зміни температури процесу, витрати твердого палива, висоти шару, механічної обробки спека і ін.). Підвищення основності, особливо для обкотишів, отриманих з концентратів з підвищеним (більш 5%) вмістом кремнезему, викликає утворення надлишкової кількості розплаву і приводить до порушення технологічного процесу. Тому для зближення значень основності обкотишів і агломерату необхідні дослідження в цьому напрямку. Насамперед - це формування шлакової зв'язки, що забезпечує міцність обкотишів і агломерату при відновно-тепловій обробці. Відновлюваність і високотемпературні характеристики окускованих залізорудних матеріалів залежать також від складу зв'язки (залізосилікатної, ферритів кальцію). Різниця у відновлюванності залізовмісних мінералів (гематит, магнетит, вюстит) і зв'язок створює умови для руйнування агломерату і обкотишів. Зближення відновлюванності зв'язок і залізовмісних матеріалів – це напрямок для поліпшення якості окускованих залізорудних матеріалів для доменної плавки.

Найважливішою проблемою доменної плавки є створення сприятливих умов формування розплавів, що мають вирішальний вплив на утворення зони когезії. Властивості розплавів (температура плавлення, в'язкість) визначаються ступенем відновлення оксидів заліза до вюститу. Відомим шляхом підвищення ефективності доменної плавки є застосування металізованих матеріалів. Виробництво їх стимулюється зростаючим дефіцитом коксуючого вугілля і коксу, а для сталеплавильних процесів – потребою в первородному залізі, не забрудненому домішками кольорових металів. Одним з напрямків вирішення цієї проблеми є розробка сполученого процесу металізації і спікання тонкоподрібнених залізорудних концентратів в суміші з твердим паливом. Таким чином, для більш ефективної роботи доменних печей і інших металургійних агрегатів виявлена необхідність розробки окускованих залізорудних матеріалів з новими металургійними властивостями, а також подальших уточнень і проведення розробок для одержання окускованих продуктів, що задовольняють вимогам металургійних переробок. Ці розробки включають:

- комплексне дослідження металургійних властивостей залізорудних окускованих матеріалів і розробка на цій основі адекватних критеріїв управління цими властивостями, що забезпечує поліпшення структури обкотишів, агломерату і губчатого заліза;

- розробка ефективних складів обкотишів, агломерату і губчатого заліза, що забезпечують зниження витрат коксу і підвищення продуктивності доменної печі;

- розробка технологічних і технічних рішень для виробництва окускованих залізорудних матеріалів із заданими металургійними властивостями на основі управління процесами тепло- і масообміну при використанні в шихті твердого палива і домішок, які регулюють склад зв'язки між оксидами заліза.

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ ПОЛІПШЕННЯ МЕТАЛУРГІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЗАЛІЗОРУДНИХ ОбКоТИШІВ ПРИ ОКИСНОМУ обПАЛІ

В дисертації проаналізовані умови окислювального високотемпературного обпалу залізорудних обкотишів на різних агрегатах. Зіставлення температурних умов обпалу на конвеєрних машинах і комбінованих установках показує, що вони відрізняються швидкістю нагрівання (від 100-1500С/хв на конвеєрній машині до 500-6000С/хв на комбінованій установці), тривалістю перебування обкотишів при максимальних температурах (від 1 хв у нижній частині шару на конвеєрній машині до 10-12 хв в обертовій печі). У зонах підігріву (1000-11000С) і обпалу (1280-13000С) відбуваються фізико-хімічні процеси окислювання і спікання, завершеність яких обумовлює міцність і інші властивості залізорудних обкотишів. Неоднорідність ступеня окислення по перетині обкотиша є причиною його зональної структури. У місцях контакту магнетитового ядра і гематитової оболонки виникають напруги, викликані різницею коефіцієнтів термічного розширення магнетиту і гематиту, що виникає при переході Fe3O4гFe2O3Fe2O3. Підвищення температури переводить процес в область рідкофазного спікання, де в залежності від основності обкотиша формується зв'язка. Ступінь ущільнення при спіканні залежить від в'язкості і поверхневого натягу розплаву. В низькоосновному розплаві утворюються окислені залізосилікатні зв'язки, що не відновлюються і не окислюються. Основний розплав характеризується схильністю до кристалізації з утворенням ферритів кальцію, які мають здатність до відновлення зіставлену з оксидами заліза. Збільшення кількості розплаву при обпалі обкотишів з висококремністих концентратів, а також при підвищенні основності приводить до утворення шлакового каркасу і виникненню тріщин, які приводять до руйнування обкотишів при навантаженнях.

Фактором знеміцнення обкотишів є термічні напруги, що супроводжують процеси нагрівання і охолодження. Обидва процеси характеризуються виникненням градієнта температур по перетину обкотиша. Розходження між ними полягає в тому, що по завершенню нагрівання напруги релаксуються, тоді як при охолодженні вони частково залишаються. Умовою руйнування, як при нагріванні, так і при охолодженні є досягнення діючими напругами граничних значень, що визначаються величиною інтервалу і швидкістю зміни температури.

У роботах З.І. Некрасова, Ю.С. Юсфина, Ю.С. Карабасова, А.М. Пирікова, Ю.О. Бермана і ін. досліджені основні закономірності процесу окислення магнетитових обкотишів при зміні складу газової фази, температури, швидкості нагрівання, розміру зразка та його основності. Встановлено, що безпосередній зв'язок між окисленням і міцністю обкотишів відсутній, а виділення вуглекислоти при дисоціації кальциту в офлюсованних обкотишах не приводить до сповільнення процесу окислення магнетиту. Отримані в дисертаційній роботі експериментальні дані показали, що на хід процесу окислювання магнетиту впливає крупність концентрату, вміст у ньому кремнезему, вміст кисню в газовій фазі, витрати теплоносія, що розширює раніше відомі уявлення про цей процес. Разом з тим, при дослідженні процесу окислювання офлюсованних обкотишів у неізотермічному режимі встановлено, що при нагріванні обкотишів зі швидкістю 500С/хв процеси масообміну одержують розвиток в інтервалі температур 350-4000С, окислювання магнетиту протікає до температури 700-8500С и припиняється з початком процесу декарбонізації. Ступінь окислення при цьому режимі складає близько 70%. При швидкості нагрівання 1000С/хв ступінь окислення магнетиту 70% досягається при температурі 850-9000С разом з початком дисоціації кальциту. При швидкостях нагрівання 150-2000С/хв ступінь окислення магнетиту до початку дисоціації кальциту складає 20-25 %, а після розкладання карбонатів збільшується до 45-55 % в інтервалі температур 1100-13500С.

Таким чином, на відміну від існуючої точки зору, у дисертаційній роботі встановлено, що інтенсивне розкладання карбонатів в інтервалі температур 850-11000С знижує окисний потенціал газової фази, що гальмує процес окислювання магнетиту. Підвищення швидкості нагрівання зменшує ступінь окислювання в зоні помірних температур і зрушує процес окислювання в зону високих температур, при яких він різко сповільнюється внаслідок утворення залізосилікатних зв'язок, що не окислюються. Встановлений інтервал нагріву 100-1500С/хв., підвищення швидкості нагрівання більш 1500С/хв. веде до знеміцнення обкотишів.

Для управління процесом обпалу залізорудних обкотишів з шіхт, які містять тверде паливо, а також вивчення впливу параметрів технологічного процесу і складу обкотишів на ступінь окислення магнетиту, дисоціації карбонатів і якість обпалених обкотишів розроблена динамічна математична модель і програмний комплекс для розрахунку масо- і теплообміну у шарі обпалених обкотишів.

В моделі використані рівняння:

- диференційне рівняння теплового балансу для шару сухих обкотишів, що описує швидкість зміни температури обкотишів, як функцію теплопереносу від газу, окислення магнетиту, вуглецю, витрат теплоти на дисоціацію кальциту:

(1)

де - густина сухих обкотишів, кг/м3; - порізність шару, част. од.; Соб. – теплоємність обкотишів, Дж / (кгК); tок = tок (х, ?) – функція розподілу температури обкотишів по висоті шару, 0С; ? – час, с; ?V – об'ємний коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м3 К); tг - температура газу по висоті шару, 0С; Q1 – теплота реакції окислення магнетиту, що виділяється в одиниці об'єму шару, Вт/м3; Q2 – теплота реакції розкладання вапняку, що поглинається в одиниці об'єму шару, Вт/м3; Q3 – теплота реакції окислювання вуглецю, що виділяється в одиниці об'єму шару, Вт/м3.

- диференційне рівняння, що описує видалення залишкової гігроскопічної вологи в шарі обкотишів:

(2)

де - схована теплота пароутворення води, Дж/кг Н2О; - функція розподілу масової частки вологи в обкотишах по висоті шару; tвип.=1000С – температура випару вологи.

Приймаємо, що при наявності вологи в обкотишах, (при >0), уся теплота, яка підводиться до ціх обкотишів, йде на випар Н2О. При цьому обкотиші знаходяться при температурі 1000С. Цей процес визначається рівнянням (2). Після видалення усієї вологи, коли , нагрів обкотишів описується рівнянням (1).

- модель окислювання магнетиту. Напрямок реакції визначається різницею концентрацій кисню біля поверхні обкотиша і рівноважною концентрацією, що обумовлюється пружністю дисоціації гематиту і залежить від температури. Для опису процесу окислювання обкотишів використовується математична модель (3). Відповідно до цієї моделі реакція окислювання протікає від поверхні обкотиша до його центру і визначається масообміном на поверхні обкотиша і швидкістю дифузії кисню з поверхні обкотиша до неокисленого ще ядру, а також швидкістю протікання реакції окислювання:

, (3)

де V - швидкість реакції окислювання магнетиту, моль Fe3O4/c; rм() – радіус ядра ще неокисленного магнетиту, м; rок = - радіус обкотиша, м; Р – загальний тиск газу, Па; - рівноважна об'ємна концентрація О2, моль/м3; - об'ємна концентрація О2 у поверхні обкотиша, моль/м3; Ro – універсальна газова постійна, Дж/(мольК); Тоб.=tоб.+273 – температура обкотиша, К; kr – швидкість хімічної реакції окислювання магнетиту, м/с; - коефіцієнт масовіддачі на поверхні обкотиша, м/с; = 3,1416.

На практиці вміст О2 у газі, що проходить через шар обкотишів у зоні обпалу, складає 10-15%. Звідси витікає, що дисоціація гематиту реально буде відбуватися при температурах вище 13000С. Тому рух границі реакції визначається рівнянням

, (4)

де 1 – пористість обкотишів, част. од.; - молекулярна маса Fe3O4, моль;

Ступінь окислення обкотишів визначається в процесі розрахунку як

(5)

- модель дисоціації вапняку. Для застосування цієї моделі до розкладання вапняку в обкотиші використовується допущення, що процес дисоціації СаСО3 в обкотиші протікає так само, як і в шматку чистого вапняку, але з урахуванням його масової частки р2. Таким чином, швидкість реакції дисоциаціі вапняку в обкотишах визначається по рівнянню:

, (6)

де - швидкість реакції розкладання вапняку, моль/с; - рівноважна об'ємна концентрація СО2, моль/м3; - об'ємна концентрація СО2 на поверхні обкотиша, моль/м3; - коефіцієнт масопереносу СО2 на поверхні обкотиша, м/с; r1() – радіус ядра, що містить вапняк, який нерозклався, у момент , м; К1 – константа реакції розкладання вапняку, с-1; k1 – швидкість хімічної реакції розкладання вапняку, м/с; - коефіцієнт дифузії СО2 у повітрі, м2/с.

- переміщення границі реакції визначається аналогічно (4):

, (7)

- ступінь дисоціації вапняку в обкотиші розраховується в процесі обпалу по формулі виду:

(8)

- модель окислювання вуглецю. Взаємодія твердого вуглецю з киснем, СО2, Н2О і їх сумішами відносяться до гетерогенних процесів типу газ-тверде і включають стадію масообміну між ядром газового потоку і реакційною зоною, а також стадію хімічної реакції. При термообробці рудовуглецевих обкотишів в окисному середовищі можливе протікання наступних реакцій: відновлення оксидів заліза твердим вуглецем; горіння вуглецю в поверхневому шарі; окислювання заліза і його оксидів; догорання в газовій фазі. У реальних умовах приведені реакції протікають неодночасно. Послідовність протікання цих реакцій, можна представити в кілька етапів. Перший етап - нагрів вуглецьмістячих обкотишів до температури початку запалення твердого палива. У цей період протікає реакція окислювання магнетиту. Другий етап (700-800?С) – це запалення твердого палива і початок відновної дії вуглецю в умовах відсутності кисню (усередині обкотиша). У третьому етапі відбуваються основні процеси масообміну, в тому числі відновлення оксидів заліза до вюстита. При опису фізико-хімічних процесів в обкотиші передбачається, що реагування має об'ємний характер, причому частка обсягу, що приймає участь у процесі, прямо пропорційна константі швидкості реакції. У той же час в одиничній часточці палива реагування має фронтальний характер, тобто ступінь завершення процесу може бути виражена через радіус частини гранули, що прореагувала. Тоді швидкість виділення теплоти в одиниці об'єму обкотишів буде мати наступний вигляд:

(9)

де q3 – теплота реакції окислення вуглецю, Дж/кгС; N1 – кількість обкотишів в одиниці об'єму шару, м-3.

У реальних умовах обпалу обкотишів, отриманих з добавками твердого палива, горіння вуглецю відбувається при Т=700-800?С, а середній розмір куска твердого палива складає менш 50мкм, що створює умови для реалізації кінетичного режиму процесу горіння вуглецю, яке відбувається у всьому об'ємі. Частку твердого палива приймаємо форми кулі і її поверхня буде описуватися рівнянням:

S=4р(3V/4р)2/3 (м2), (10)

де радіус частки виражений виходячи із рівняння її об'єму.

Приймаємо, що об'єм частки твердого палива є пропорційним масі ( через питому вагу) і уводячи коефіцієнт К1, який дорівнює (К1=4рс), ?держуємо вираження, що поєднує величину поверхні частки з ії масою: S=К1?m2/3

Тоді, швидкість горіння часточки вуглецю для прийнятих умов буде описуватися рівнянням: Vc=kc сО2 К1?mс2/3(ф) (11)

- оцінка якості спікання обпалених обкотишів. При обпалі обкотишів відбуваються процеси спікання багатокомпонентних систем дрібнодисперсних матеріалів. Вони в значній мірі визначають якість кінцевої продукції. Для оцінки ступені завершення процесу обпалу був використаний інтегральний температурно-часовий показник:

(12)

де t0 – температура початку твердофазного спікання.

Для рішення задачі тепломасообміну в шарі обкотишів застосован метод кінцевих різниць. Порівняння експериментальних і розрахункових даних щодо температури обкотишів, а також ступеню окислення і дисоціації наведені на рис. 1. Таким чином, ступінь окислення магнетиту і дисоціації вапняку, а також ступінь використання вуглецю є критеріямі, які визначають якість обкотишів. Їх комплексний вплив на показники якості знайшов рішення в математичній моделі, в якій закладені наукові основи управління якістю.

а) по моделі б) по єкспериментальним даним

Рис.1. Кінетика окислення і дисоціації в обкотишах при неізотермічному режимі

У ході дослідження на промисловій установці Полтавського ГЗКу ступінь окислення оцінювали по вмісту монооксиду заліза при варіюванні температури обпалу, основності обкотишів і коефіцієнту надлишку повітря в газовому середовищі. Для запобігання утворення спеків обкотишів в охолоджувачі необхідно, щоб різниця вмісту FeО в обкотишах на виході з печі і охолоджувача була незначною.

Аналіз результатів дослідження на промисловій комбінованій установці (табл.1) дозволив встановити, що лімітуючою ланкою, що утрудняє одержання обкотишів із заданими властивостями, є процес окислювання магнетиту. Збільшення коефіцієнту надлишку повітря підвищує ступінь окислення обкотишів, що приводить до зростання міцності обкотишів. Причиною низького ступеню окислення обкотишів може бути висока швидкість нагрівання їх в печі і велика кількість залізосилікатного розплаву, який утворюється при обпалі обкотишів із концентратів з високим вмістом кремнезему.

Таблиця 1.

Характеристика обпаленних обкотишів при різних режимах обпалу

Обкотиші після обпалу у печі | Обкотиші після охолодження | MgO | Основність | Міцність

T0C | Feоб % | FeO* %/ | CaO % | SiO2 % | Feоб % | FeO* %/ | CaO % | SiO2 % | % | од | кг/об | од.

1237 | 60,7 | 11,0/

49,2 | 0,56 | 12,45 | 60,2 | 1,5/

93,08 | 0,37 | 11,85 | 1,12 | 0,125 | 175 | 1,053

1195 | 61,0 | 10,2/

52,9 | 0,39 | 11,68 | 60,0 | 0,9/

95,8 | 0,57 | 11,55 | 0,64 | 0,105 | 280 | 2,706

1254 | 60,5 | 9,5/

56,2 | 0,91 | 11,55 | 59,9 | 2,0/

90,7 | 0,83 | 11,83 | 1,89 | 0,23 | 130 | 1,053

1280 | 60,5 | 9,7/

55,2 | 0,89 | 12,0 | 60,9 | 2,0/

90,7 | 0,83 | 12,8 | 2,11 | 0,23 | 175 | 2,706

* - у знаменнику;

- ступень окислення, %.

Випробування міцності обкотишів залежно від ступеня окисленності, температури і часу витримки показало, що граничною температурою обпалу для одержання високоякісних обпалених обкотишів є 13000С, швидкість нагріву повинна становити 100-1500С/хв, а час витримки при цій температурі – 5 хв. При шаровому окисному обпалі обкотишів такий режим не витримується. Досліджували міцність обпалених окислених обкотишів, які виробляли з магнетитового і гематитового концентратів з основністю в інтервалі 0-2,1 од., в умовах низькотемпературного відновлення (500-6000С) у газовій атмосфері, яка має склад: 60% N2, 20% CO і 20% О2. Встановлено, що індекс на стирання їх дорівнює 1-5%, на удар - більш 95 %. Обкотиші з основністю близько 0,1 з гематитового концентрату мають низьку міцність: фракція + 5 мм складає 30%.

Різний характер поведінки обкотишів з магнетитового і гематитового концентратів при відновленні обумовлений відмінністю складу зв'язки. В області низьких основностей (до 0,1) зерна оксидів заліза в обкотишах з гематитового концентрату спікаються з кварцом під час відсутності шлакової фази, а для магнетитового концентрату можливе утворення фаяліту. При підвищенні основності утворюється фаза силікатного розплаву, що зміцнює структуру обкотишів. При основності більш 1,3 у структурі обкотиша переважають ферити кальцію, що сприяють зміцненню, оскільки вони є джерелом утворення залізосилікатного розплаву при взаємодії з кремнеземом.

У дисертаційній роботі встановлено, що у результаті повторного нагрівання обкотишів і охолодження, як на обпалювальних агрегатах, так і при відновлювально-тепловій обробці в доменній печі відбувається знеміцнення обкотишів. Проведені дослідження впливу повторного нагрівання обкотишів при різних температурах (900-12000С), витримках і основності показали, що після низькотемпературного відновлення міцність знижується як для обкотишів з гематитового, так і магнетитового концентратів.

При підвищенні температури нагрівання і його тривалості для обкотишів з магнетитового концентрату із основністю в інтервалі 0,8–1,4 - індекс на стирання збільшується. Для обкотишів із низькою основністю (0,1–0,5) вплив відпалу незначний. Відпал у більшому ступені впливає на формування зв'язок в обкотишах і в меншій мері - на зерна оксидів заліза. У випадку кислих обкотишів з гематитового концентрату при відпалі відбувається модифікаційне перетворення кварцу, яке супроводжується зміною об'єму. У результаті структура обкотиша знеміцнюється і не може витримати напруг, що виникають у процесі відновлення зерен оксидів заліза і пов'язані із збільшенням об'єму. Як наслідок, відбувається інтенсивне руйнування обкотишів. При збільшенні основності обкотишів зв'язки представлені феритами кальцію, структура яких зберігається при повторному нагріванні, яке не впливає на міцність у холодному стані і при відновленні. Критичний інтервал основностей складає 0,5-1,5. Для гематитових обкотишів з основністю 0,31 область утворення шлакової фази розташована вище області воластонита (CaSiО3). При відпалі ці області наближуються одна до одної, а при основності 0,96 перша розташована в області воластонита. Особливістю обкотишів з магнетитового концентрату є вміст FeО в олівіновій фазі. Температура кристалізації воластониту (близько 10800С) кореспондується з інтервалом температур (1000–11000С), у якому спостерігається найбільше зниження міцності при відновленні.

Протікання процесів повторного нагрівання (відпалу) обкотишів відбувається при термообробці на конвеєрній машині, де відпалу піддається циркулююча постіль, і на установкі решітка-трубчаста піч-охолоджувач, де нерівномірний розподіл температур по довжині печі також викликає коливання температур обкотишів, що є причиною знеміцнення їх при відновлювально-тепловій обробці. Зменшити цей вплив можливо за рахунок олівінової зв'язки, яка утворюється при обпалі обкотишів, одержаних із окисленого концентрату з домішками в шихту твердого палива.

ТЕОРЕТИЧНІ і ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ОКИСЛЮВАЛЬНО-ВІДНОВлювальНИХ ПРОЦЕСІВ У ЗАЛІЗОРУДНИХ ОбКоТИШАХ З МЕТОЮ ПОЛІПШЕННЯ ЇХ МЕТАЛУРГІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ.

У роботі прийнято, що физико-механічні властивості оксидів заліза, шлакової зв'язки і контактної границі оксидів заліза і шлакової зв'язки визначають міцність окускованих матеріалів. Основна увага приділена міцності контакту шлакової зв'язки з оксидами, яка обусловлюється властивостями розплаву. З цією метою досліджували змочуваність оксидів шлакової фазою, будівлю контактної зони між ними, вплив складу розплаву (особливо вміст оксидів заліза в ньому) на структуру окускованого продукту. Були синтезовані зв'язки, які складалися із феритів кальцію і залізосилікатів з різним вмістом заліза, що відповідають первинному розплаву, що утворюється в обкотишах при обпалі. Для дослідження контактної границі ці зв'язки розплавляли і у розплав занурювали оксиди, що входять до складу шихти. Процеси на границі досліджували методом безперервного виміру маси оксидів у розплаві шляхом визначення сили і константи змочування. Ці дані аналізували разом з результатами петрографічного дослідження контактної зони. Аналіз отриманих зв'язок показав, що з ростом вмісту заліза в зв'язці збільшується кількість магнетиту і вюститу. Фазовий склад зв'язки в інтервалі вмісту заліза 8,94–11,13 %Fe на контакті з магнетитовою пластиною представлен склом і феритами кальцію, як після обпалу, так і після відновлення; при вмісті заліза більш 29,07 %Fe - склом, феритами кальцію, магнетитом - після обпалу і склом, магнетитом, вюститом – після відновлення.

Аналіз контактної границі після відновлення показав, що газ відновлює як оксиди заліза, так і поверхневий шар зв'язки. При цьому на границі розділу утворюються загальні для зв'язок і залізорудної частини елементи структури, що перешкоджають повному руйнуванню контактів. Для збереження міцного контакту зв'язки з оксидами кращою є структура контакту, яка відновлюється одночасно з оксидами заліза, наприклад, ферити кальцію. У зразках, де кристалізуються ферити кальцію, утворюється перехідна зона із перемінним складом по товщині зв'язки (рис.2).

Рис. 2. Мікроструктура високоосновної частини зв'язки х200х3

На границі перехідної зони з залізорудним концентратом зв'язка представлена розкристалізованою структурою і містить 1-2 % Fe; 46 –48 % CaО; 48 – 52 % SiО2 (дані хімічного аналізу). Структура контактної зони оксидів заліза з нерозкристалізованим склом сприяє значному зниженню показників міцності зв'язки.

Проведено дослідження мінералогічного складу агломерату з добавками, що забезпечують формування зв'язки з феритів кальцію (рис.3). Розроблені технічні рішення, використання яких забезпечує утворення в структурі обкотиша феритної і залізосилікатної зв'язок і високу міцність при відновлювально-тепловій обробці. З цією метою реалізована технологія одержання багатошарових обкотишів, у яких шари залізорудного концентрату перемежовуються шарами з підвищеною концентрацією оксиду кальцію, що при високотемпературній обробці дозволяє одержати міцні при відновленні зв'язки. В роботі вперше розкриті переваги цієї технології, які істотно розширюють її можливості для поліпшення металургійних властивостей обкотишів.

Рис. 3. Ферито-магнетитова структура зв'язки

Магнетитові обкотиші з високим вмістом вюстита, а також частково металізовані в меншому