МІНІСТЕРство освіти І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ЯГОЛЬНИК Максим Вікторович

УДК 622.788:662.8.05(043)

Покращання металургійних властивостей обкотишів за рахунок вдосконалення технології їх виробництва з рудовугільної шихти

Спеціальність 05.16.02 “Металургія чорних металів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

ВАНЮКОВА Наталія Дмитрівна,

Національна металургійна академія України,

професор кафедри металургії чавуну

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Довгалюк Борис Петрович, професор кафедри електроніки та автоматизації Дніпродзержинського державного технічного університету (м. Дніпродзержинськ);

кандидат технічних наук Петренко Віталій Олександрович, помічник генерального директора ВАТ „ДМЗ ім. Петровського” (м. Дніпропетровськ).

Провідна установа: Інститут чорної металургії ім. акад. З.І. Некрасова НАН України (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться “14” березня 2006 р. о 1230 годині 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 “03” лютого 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Рішення задачі підвищення ефективності доменного виробництва за рахунок зниження витрати коксу і підвищення продуктивності базуються на розробці нових видів металургійної сировини і поліпшення її металургійних властивостей. Вона повинна характеризуватися не тільки традиційними показниками міцності і гранулометричним складом, але і високотемпературними характеристиками. Основними залізорудними матеріалами для доменної плавки є агломерат і обкотиши. Встановлена висока ефективність використання металізованих матеріалів.

Порівнюючи комплексні характеристики металургійних властивостей агломерату і обкотишів, можна зробити висновок, що міцність обкотишів знижується при низькотемпературному відновленні. Крім того, температури утворення розплаву і його фільтрації через кок-сову насадку при роботі на обкотишах на 30-80 нижче у порівнянні з агломератом, що розширює зону розплаву і підвищує опір руху газу.

Аналіз якості окускованих залізорудних матеріалів – агломерату і обкотишів, що виробляються на Україні за останні 10-15 років, показує, що відсутність сучасних схем термічної обробки матеріалів не дозволяє зменшити вміст дріб'язку в товарному агломераті нижче 15 %. Зарубіжні аналоги, після чотиристадійної обробки, мають не більше 5 % (Японія, Німеччина). Зберігається істотна різниця між агломератом і обкотишами при їх відновлювально-тепловій обробці в доменній печі. Запропонований і розроблений ряд технологій по виробництву і проплавленню в доменних печах офлюсованих обкотишів з підвищеним до 7-9 % вмістом монооксиду заліза, а також із вмістом залишкового вуглецю від 0,6 до 1,9 %, що істотно зближує високотемпературні властивості обкотишів з агломератом. Рішення поставленої задачі здійснене в дисертації за рахунок вдосконалення технології обпалу обкотишів комбінованим паливом.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Державної програми розвитку гірничометалургійного комплексу України до 2010 року, з планами науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України, Національної металургійної академії України, Центрального гірничо-збагачувального комбінату.

Основу дисертації складають наукові дослідження, що виконані автором і становлять частину звітів з науково-дослідних робіт: “Оптимізація технологічних параметрів термічної обробки залізорудних обкотишів, що містять різні види твердого палива” - № державної реєстрації 0103U002294; “Поліпшення металургійних властивостей залізорудних обкотишів при добавках в шихту колошникового пилу доменних печей” - № державної реєстрації 0103U002293.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретичне обґрунтування, експериментальні дослідження і розробка технологічних рекомендацій, що направлені на вирішення важливої науково-прикладної задачі покращання металургійних властивостей залізорудних обкотишів, що одержані з рудовугільної шихти. Відповідно до цього були визначені завдання дослідження:

- дослідження впливу відпалу (повторного нагріву, який відбувається у постелі, виділеної з охолоджених обкотишів і завантаженої на колосникову решітку) на якісні характеристики обкотишів;

- дослідження окислювально-відновлювальних процесів в офлюсованих залізорудних обкотишах, що отримані з шихт із добавками твердого палива;

- дослідження металургійних властивостей залізорудних обкотишів при підвищенні основності і вмісту твердого палива із зміною вмісту летких речовин;

- розробка вдосконалених технологічних і технічних рішень для виробництва залізорудних обкотишів, що отримані з шихт із добавками твердого палива.

Об'єкт дослідження: залізорудні обкотиші, що отримані з гематитового і магнетитового концентратів з добавками твердого палива.

Предмет дослідження: розвиток окислювально-відновлювальних процесів при обпалі залізорудних обкотишів з гематитового і магнетитового концентратів з добавками твердого палива.

Методи дослідження. Дослідження металургійних властивостей шихтових матеріалів було виконано на експериментальних установках Національної металургійної академії України, ВАТ „Центральний ГЗК” по методах Держстандарту України: ДСТУ 3195-95; 3196-95; 3200-95; 3202-95. Для отримання обкотишів були використані: магнетитові концентрати Центрального і Полтавського гірничо-збагачувальних комбінатів; гематитовий концентрат, що був одержан шляхом окислення магнетитового концентрату; в'яжуча добавка – бентоніт; тверде паливо, яке було представлено коксовим дріб'язком і кам'яним вугіллям, з різним вмістом вуглецю та летких речовин.

В роботі використані сучасні методи математичного і фізичного моделювання та оптимізації, що включають постановку і планування експериментів, дослідження в лабораторних і промислових умовах, статистичну обробку експериментальних даних з використанням прикладних комп'ютерних програм.

На підставі наукових узагальнень, теоретичних розробок і експериментальних досліджень в лабораторних умовах і на промисловій фабриці огрудкування вирішена важлива для народного господарства науково-прикладна задача покращання металургійних властивостей залізорудних обкотишів, що одержані з рудовугільної шихти. Промислові випробування нового технічного рішення були проведені на фабриці огрудкування Центрального гірничо-збагачувального комбінату.

Наукова новизна отриманих результатів. Одержали подальший розвиток наукові основи покращання металургійних властивостей залізорудних офлюсованих обкотишів за рахунок застосування комбінованого – газоподібного і твердого палива.

Нові наукові результати, одержані автором, полягають в наступному:

1. Уперше встановлено, що при обпалі обкотишів на конвейєрній обпалювальній машині частина обкотишів, яка виділяється після охолодження і використовується у якості постелі на колосниковій решітці обпалювальної машини, піддається повторному нагріву (відпалу), внаслідок чого втрачає міцність. Встановлено, що міцність знижується в інтервалі основності від 0,5 до 1,5 у меншому ступені для обкотишів з магнетитового концентрату і у більшому ступені - з гематитового. Зниження міцності обумовлено утворенням зв'язки з воластоніту (СаО·SiО2) і аліту (3СаО·SiО2), які інтенсивно руйнуються у присутності Fe2О3.

2. Уперше розрахунково-аналітичними дослідженнями обґрунтовано і встановлено концентрацію вуглецю для різних видів твердого палива в шихті для виробництва залізорудних обкотишів в умовах окислювального обпалу. Встановлено зокрема, що для утворення додаткової теплоти, яка необхідна при обпалі гематитових обкотишів, концентрація вуглецю коксу в шихті повинна становити біля 1,4 %.

3. Одержали подальший розвиток закономірності окислення магнетиту при обпалі сирих обкотишів, які вироблені з шихт із добавками твердого палива. Встановлено сумісний вплив концентрації вуглецю і температури обпалу на ступінь окислення обкотишів. Максимальному ступеню окислення обкотишів в інтервалі температур 600-900 С відповідає концентрація вуглецю в шихті – 0,7 %. При підвищенні концентрації вуглецю більш 0,7 % кисень теплоносія більшою мірою використовується для окислення вуглецю.

Достовірність результатів дослідження. Достовірність одержаних результатів і висновків при вирішенні науково-прикладної задачі базується на основі фундаментальних положень теорії металургійних процесів, законів масо- і теплообміну, газо- і гідродинаміки.

Достовірність результатів дослідження підтверджується достатнім об'ємом і збіжністю теоретичних і експериментальних даних при фізичному моделюванні процесу обпалу обкотишів з магнетитового та гематитового концентратів і відповідністю розрахованого значення критерію Фішера табличному значенню для умов п’ятифакторного експерименту (Fрозр.=4,187 < 4,53= Fтабл.), а також позитивними результатами промислового опробування технології окислювального обпалу обкотишів комбінованим – газоподібним і твердим паливом, яке міститься в колошниковому пилу доменних печей.

Практичне значення отриманих результатів. Проведені дослідження дозволили створити ефективну технологію окислювального обпалу залізорудних офлюсованих обкотишів. Розроблено вдосконалену технологію виробництва обкотишів за рахунок добавки в шихту колошникового пилу доменних печей. Нове рішення полягає в тому, що колошниковий пил вводиться в шихту для виробництва обкотишів після сумісного подрібнення з вапняком. На цьому етапі відбувається активація компонентів шихти, яка сприяє інтенсифікації процесів спікання і обпалу.

Застосування розробленого способу на обпалювальній машині Центрального ГЗК показало можливість використання колошникового пилу у виробництві залізорудних обкотишів. За рахунок розвитку відновлювальних процесів вміст монооксиду заліза був підвищен з 3,7 до 10,0 % в неофлюсованих обкотишах і з 1,5 до 4,7 % - в офлюсованих. Показники міцності на удар після випробувань в стандартному барабані для неофлюсованих обкотишів не відрізнялись від базових та становили 89,1 %, для офлюсованих обкотишів – зросли від 87,8 до 88,8 %. Показники індексу на стирання були знижені для неофлюсованих обкотишів з 9,6 до 8,9 %, для офлюсованих обкотишів – з 10,5 до 9,6 %. Покращання показників міцності відбулось за рахунок розвитку рідкофазного спікання в присутності олівінового розплаву. Міцність сирих обкотишів на скидання знаходилась в інтервалі 3,4-3,8 разів, опір стисненню становив 0,6-0,8 кг/обкотиш. Продуктивність обпалювальної машини збільшилась при виробництві неофлюсованих обкотишів на 25,57 т/г, і офлюсованих на 20,53 т/г. За рахунок створення внутрішнього джерела теплоти та інтенсифікації процесу теплообміну були знижені питомі витрати природного газу при виробництві неофлюсованих обкотишів з 13,60 до 10,61м3/т, офлюсованих обкотишів – з 13,84 до 10,21 м3/т.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі узагальнені результати експериментальних і теоретичних досліджень, які були отримані автором при виконанні окремих розділів науково-дослідних робіт. Автор самостійно сформулював постановку завдань, розробив методики, вдосконалив лабораторне устаткування, організував і провів експерименти. Аналіз одержаних даних і узагальнення результатів досліджень, створення статей, доповідей виконані особисто автором.

У роботах, приведених в авторефераті і опублікованих із співавторами, автору дисертації належать: [1] – проведення експериментів, обробка експериментальних даних, обґрунтування і формулювання наукової новизни, [2] – обробка експериментальних даних, наукове обґрунтування зниження витрати природного газу і збільшення продуктивності обпалювальної машини, [3] – обробка експериментальних даних, обґрунтування зниження міцності обкотишів при повторному нагріві, [4] – виконання моделювання і обробка експериментальних даних по впливу характеристик твердого палива на якість обкотишів, обґрунтування вимог до твердого палива у шихту для огрудкування.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення дисертації повідомлені і обговорені на міжнародній науково-технічній конференції “Теорія і практика виробництва чавуну” (до 70-річчя КДГМК “Криворіжсталь” - м. Кривий Ріг, 2004 р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничометалургійного комплексу України” (м. Кривий Ріг, 2004 р.), на IV міжнародній науково-практичній конференції “Теорія і практика рішення екологічних проблем в металургійній і гірничодобувній промисловості” (м. Дніпропетровськ, 5-7 жовтня 2004 р.), на I міжнародній науково-практичній конференції “Науковий потенціал світу 2004” (м. Дніпропетровськ, 1-15 листопада 2004 р.), на міжнародній науковій конференції “Математичні проблеми технічної механіки” (м. Дніпропетровськ, 18-21 квітня 2005 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені у: 4 статтях в спеціалізованих наукових журналах і збірниках, 2 тезах доповідей на конференціях.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається з введення, 4 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 132 бібліографічних найменувань. Робота викладена на 136 сторінках і включає 20 рисунків, 26 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання дослідження, об'єкт і предмет дослідження, методи дослідження, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, відомості про апробацію і публікацію результатів дослідження.

У першому розділі “АНАЛІЗ ВПЛИВУ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДОГО ПАЛИВА І ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ОБПАЛУ НА МЕТАЛУРГІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ЗАЛІЗОРУДНИХ ОБКОТИШІВ” виконано аналіз стану якості окускованих залізорудних матеріалів для доменної плавки. Особливу увагу привернуто до металургійних властивостей залізорудних обкотишів. Насамперед це стосується підвищення основності спорідненої до основності шлаку, збереження необхідних міцністних характеристик в процесі відновлювально-теплової обробки, а також зближення цих властивостей з офлюсованим агломератом. Одним з ефективних напрямків покращання металургійних властивостей обкотишів є добавка твердого палива в шихту для отримання обкотишів, що забезпечує зближення властивостей обкотишів та агломерату.

З раніше проведених робіт в Механобрчерметі, ІЧМ НАН України, УНЦ АНРФ, ВНИИМТЕ, Уралмеханобрі, НМетАУ – З.І. Некрасовим, Г.Г. Ефименко, М.М. Бережним, Г.В. Губіним, Г.М. Майзелем, М.С. Барановим, В.П. Мовчаном, Н.Д. Ванюковою та ін. встановлено, що тверде паливо при виробництві обкотишів може застосовуватися в комбінації з газоподібним або рідким (мазут) паливом.

Добавка твердого палива в шихту і рівномірний розподіл його в об'ємі обкотиша підвищує продуктивність обпалювальної машини і знижує витрату природного газу. За рахунок умов, що утворюються при відновлювально-тепловій обробці, відбувається поліпшення металургійних властивостей обкотишів.

При окислювальному обпалі обкотишів, що містять вуглець, на конвейєрних обпалювальних машинах в шарі обкотишів одночасно протікають реакції окислення і відновлення оксидів заліза і вуглецю. В результаті прямого відновлення в структурі обкотишів утворюється монооксид заліза. Одночасно відбувається розвиток процесів окислення відновлених оксидів заліза і монооксиду вуглецю та формування залізосилікатних зв'язок. Важливим фактором в цих процесах є основність обкотишів.

В аналізі літературних даних показана суперечність деяких результатів. Зокрема витрата твердого палива в шихту прийнята на основі досліджень і не підтверджена теоретичними розробками.

У зв'язку з цим в дисертаційній роботі поставлена науково-прикладна задача покращання металургійних властивостей обкотишів, що одержані з рудовугільної шихти. Вирішення цієї задачі в роботі здійснено за рахунок дослідження окислювально-відновлювальних процесів при обпалі залізорудних обкотишів, що містять в своєму складі вуглець, а також дослідження впливу основності на міцність обкотишів з урахуванням технологічних факторів високотемпературного обпалу обкотишів.

У другому розділі “ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ПРИ ОБПАЛІ ЗАЛІЗОРУДНИХ ОБКОТИШІВ, ЩО ОДЕРЖАНІ З ШИХТ ІЗ ДОБАВКОЮ ТВЕРДОГО ПАЛИВА” для вирішення завдань дослідження розглянуті критерії якості твердого палива, яке може бути використано в шихті для виробництва обкотишів. Враховуючи функції, які виконує тверде паливо в обкотишах, а саме внутрішнього джерела теплоти і відновлювача, воно повинне характеризуватися низькою реакційною здатністю. Як наслідок, запалення виникає пізніше і горіння є тривалим. Температурний рівень, при якому відбувається газифікація твердого палива всередині обкотиша, підвищується. Кількість відновлювального газу збільшується, що сприяє інтенсифікації процесів відновлення оксидів заліза за рахунок дифузії монооксиду вуглецю з центру до периферії обкотиша.

В умовах гомогенізації вихідної шихти з твердим паливом оксиди заліза в обкотишах починають відновлюватися на контакті частинок оксидів і вуглецю. Теоретично температура початку прямого відновлення визначається з порівняння термодинамічних потенціалів реакцій газифікації вуглецю і непрямого відновлення. Для розрахунку температури початку прямого відновлення використані дані проф. Є.О. Козачкова:

, ;

, .

Ці залежності перетинаються при температурі 682 (при Р?=1). Експериментальні дані про початок взаємодії між вуглецем та оксидами заліза приведені в табл. 1.

Таблиця 1

Температура початку взаємодії оксидів заліза з вуглецем в рудовугільних обкотишах

Вміст

вуглецю, % | Температура початку інтенсивної взаємодії, | Втрата маси, мг

При температурі

початку взаємодії | При температурі 1100

0,46

0,74

0,82

1,57

2,14

3,89 | >1050

850 – 900

800 – 900

820

900 – 920

910 | -

13

7

22

9

28 | 11

58

26

122

35

255

З приведених даних виходить, що помітне відновлення починається в інтервалі 800-1000, а при температурі 1100 спостерігається збільшення швидкості прямого відновлення. Збільшення концентрації вуглецю в шихті для отримання обкотишів інтенсифікує процес відновлення, який характеризується втратою маси.

Дослідження процесів відновлення, що розвиваються при нагріві обкотишів, що містять тверде паливо, проводили в нейтральній атмосфері. Початкова концентрація вуглецю в обкотиші – 1,39 %. Розмір обкотишів 12 мм. Результати дослідження приведені в табл. 2.

З лінійної регресії, за експериментальними даними (табл. 2) одержуємо залежність (коефіцієнт кореляції 95 %) між залишковим вмістом вуглецю і кількістю монооксиду заліза, що утворюється, у складі магнетиту

. (1)

Звідки слідує: 1 г відновлює 13,7 г .

Таблиця 2

Зміна складу обкотишів, що містять тверде паливо, при нагріві в нейтральній атмосфері

№ | Температура, Атмосфера | 1 | 300 | 63,2 | 1,2 | 5,0 | 1,39 | 2 | 500 | 63,4 | 1,4 | 5,8 | 1,32 | 3 | 700 | 64,9 | 5,5 | 22,8 | 0,86 | 4 | 900 | 66,5 | 15,7 | 65,0 | 0,27 | 5 | 1000 | 66,8 | 17,4 | 72,1 | 0,11 | 6 | 1100 | 67,2 | 19,6 | 81,2 | 0,04 |

З урахуванням реакцій і (початок яких відбувається при температурах більше 800), в яких 1 г вуглецю відновлює 18,62 г і 9,31 г, відповідно розраховуємо частку і в газовій суміші, що утворюється при відновленні оксидів заліза вуглецем в обкотиші:

; (2)

або 52,6 %,

де z - частка в регенерованому газі.

Таким чином, в газовій суміші частка складає - 52,6 %, а частка - 47,4 %.

Із завершенням відновлення обкотишів вуглецем, що міститься в них, при обпалі в шарі починається їх вторинне окислення. Цей процес протікає повільно, внаслідок низької концентрації кисню в газі-теплоносії і меншого часу його перебування в нижніх горизонтах шару. Тому максимальна концентрація магнетиту спостерігається саме в нижніх горизонтах обпалювального шару.

При обпалі окислених обкотишів, що отримані з добавками твердого палива, найсприятливішим є такий вміст вуглецю в шихті, який відповідає кількості теплоти, що виділяється при екзотермічній реакції окислення магнетиту в гематит. Теплотворна здатність коксу - 28000 кДж/кг; при окисленні виділяється 465,6 кДж/кг теплоти, що відповідає окисленню 16,6 г коксу або 1,66 %. Приймаємо, що нелеткий вуглець+леткі (кокс)=85,4%. Витрата нелеткого вуглецю складе - 1,42 %. Ця величина добре узгоджується з даними табл. 2, де витрата вуглецю – 1,39 % повністю використовується при температурі 1100 .

Величина теоретичної концентрації твердого вуглецю в обкотишах, яка була одержана розрахунковим шляхом, склала близько 1,4 %. Дослідження, які проведені на промислових агрегатах, дозволили встановити найбільш ефективний вміст вуглецю в шихті в інтервалі 0,7-1,0 %. Перша величина відноситься до неофлюсованих обкотишів, друга – до обкотишів основністю 0,4-0,7. Викладене вище добре узгоджується з допущенням про роль екзотермічної реакції окислення. Зменшення концентрації магнетиту в офлюсованих обкотишах потребує більшої кількості теплоти від окислення вуглецю.

Таким чином, уперше розрахунково-аналітичним шляхом одержана теоретична величина витрати твердого палива в шихту для огрудкування з метою отримання обкотишів з підвищеними металургійними властивостями. Повне використання вуглецю в процесі забезпечує необхідну якість обкотишів.

Важлива роль в окислювально-відновлювальних процесах належить концентрату (магнетитовий або гематитовий), з якого одержані обкотиші. У зв’язку з цим окислювально-відновлювальні процеси досліджували для магнетитових і гематитових концентратів. В ході дослідження змінювали витрату твердого палива в шихту для огрудкування в інтервалі від 0 до 1,5 % і температуру обпалу від 600 до 1250. Хімічним аналізом контролювали вміст,, C. З цією метою проби охолоджували в спеціальних герметичних контейнерах в безокислювальній атмосфері. За результатами хімічного аналізу розраховували ступінь окислення оксидів заліза по формулі

, (3)

де і – вміст відповідно монооксиду заліза і в обкотишах у визначений момент часу; і – початковий вміст відповідно монооксида заліза і в обкотишах.

Зміну ступеня окислення обкотишів, залежно від концентрації вуглецю, необхідно розглядати з наступних позицій. При зменшенні концентрації вуглецю в шихті для отримання обкотишів, при обпалі в окислювальній атмосфері, ступінь окислення магнетиту збільшується. При підвищенні концентрації вуглецю в шихті для отримання обкотишів до 1,39 %, збільшується витрата кисню на окислення вуглецю, зменшується його концентрація в газі і ступінь окислення обкотишів знижується. Проте більший вплив в цьому процесі належить окисленню вуглецю оксидами заліза і відновленням останнього.

Такий висновок підтверджує графік залежності ступеня окислення магнетитових обкотишів від концентрації вуглецю в шихті для їх отримання (рис. 1). Максимум ступеня окислення спостерігається при вмісті 0,7 % вуглецю в інтервалі температур 600-900. Відзначимо, що така концентрація вуглецю добре узгоджується з результатами, що були одержані в промислових умовах. При концентрації вуглецю 0,7 % вміств обкотишах складає 3-4 %, утворюється така кількість розплаву, при якій геометрична форма обкотишів зберігається.

На рис. 2 приведена залежність ступеня окисленості обкотишів з гематитового концентрату з добавками твердого палива від температури обпалу. З графіку видно, що при добавках твердого палива у шихту для отримання обкотишів в інтервалі температур 600-800 інтенсивно відбуваються процеси відновлення оксидів заліза, що узгоджується з теоретичною температурою початку прямого відновлення, яка була визначена вище. Внаслідок відсутності кисню теплоносія усередині обкотиша, вуглець відновлює оксиди заліза за рахунок тісного контакту. При подальшому підвищенні температури, залежно від вмісту кисню у теплоносії, в обкотишах з гематитового концентрату можуть протікати як відновлювальні, так і окислювальні реакції. В інтервалі температур 800-1000 переважають останні. На завершаючій стадії “роботи” вуглецю, при охолоджуванні обкотишів, можна прийняти, що за наявності відносно великого вмісту кисню в газовій фазі ( > 5 %) можливе окислення не тільки оксидів заліза, але і залишкового вуглецю.

Фактором втрати міцності обкотишів є також термічні напруги, які супроводжують процеси нагріву і охолоджування, що протікають як в обпалювальних агрегатах (постіль на колосниковій решітці), так і при завантаженні в доменні печі охолоджених обкотишів. Вимоги до якості обкотишів з боку доменного виробництва постійно зростають. Одна з основних вимог до обкотишів – стабільність в процесі низькотемпературного відновлення. Індекс на удар таких обкотишів повинен складати не менше 85 %. Ці значення досягаються при обпалі обкотишів в лабораторній чаші. В промислових умовах міцність обкотишів, що знаходяться в постелі, яка розділяє шар обпалюваємих обкотишів і колосникову решітку, знижується.

Для виявлення причини зниження міцності обпалених обкотишів при повторному нагріві були проведені дослідження впливу основності та сорту концентрату.

Залежно від основності вплив відпалу (повторного нагріву) є різним (рис. 3). На графіку приведена різниця між міцністю обкотишів після відпалу та міцністю обпалених (базових) обкотишів (250 кг/обкотиш), які не піддавались відпалу. При низьких основностях (/=0,1) вплив відпалу є незначним. Міцність обкотишів після відпалу знаходиться в інтервалі 190-210 кг/обкотиш. При підвищенні основності (0,3-0,5) міцність обкотишів збільшується і складає 230-270 кг/обкотиш. В інтервалі основностей 0,5-1,5 спостерігається мінімальна міцність обкотишів. Для обкотишів, що одержані з магнетитового концентрату мінімальна міцність спостерігається при основності 1,2 і складає 150 кг/обкотиш. Для обкотишів, що одержаних з гематитового концентрату мінімальна міцність (130 кг/обкотиш) спостерігається при основності 1,0. При вищих основностях відбувається збільшення міцності обкотишів після відпалу (210-270 кг/обкотиш).

Обпалені обкотиші без відпалу, як показали дослідження, характеризуються низькими значеннями індексу на стирання. У досліджуваному інтервалі основностей (0-2) він не перевищував 5 %.

Різна поведінка обкотишів з гематитового і магнетитового концентратів пояснюється формуванням різних зв'язок. В інтервалі низьких основностей (/=0,1) зерна оксидів заліза в обкотишах, що вироблені з гематитових концентратів, спікаються між собою і зернами кварцу. Утворення силікатного розплаву, яке інтенсифікує скріплення зерен оксидів заліза, в інтервалі цих основностей не відбувається. Проте у разі магнетитових обкотишів можливо утворення фаялітового розплаву, який інтенсифікує зв'язку між зернами.

При підвищенні основності в інтервалі до 0,5 формується силікатний розплав, який розтікається по поверхні зерен оксидів заліза і формує стабільну структуру. Як результат обкотиші мають підвищену міцність на удар. При підвищенні основності більше 1,5 можливо формування структури високоосновних обкотишів.

Перетворення, які відбуваються в зв'язуючій фазі обкотишів, аналізували по діаграмі . Розрахунковий склад шлакової зв'язки був виконаний щодо обкотишів основністю 0,31-1,0. Одержаний склад зв’язки порівнювали з діаграмою рівноваги відносно існуючих фаз. В обкотишах, що одержані з гематитових концентратів, основністю 0,31, шлакова фаза, що утворюється, розташована вище області воластоніту. При відпалі вона зміщується ближче до області воластоніту. При основності 0,96 зв'язка розташовується в області воластоніту і залишається в цій області після відпалу. Відомо, що воластоніт є нестабільним силікатом здібним до саморуйнування, що певно і є однією з причин низької міцності обкотишів в інтервалі основностей 0,5-1,5.

У третьому розділі “ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДОГО ПАЛИВА І ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ОБПАЛУ НА МЕТАЛУРГІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ОБКОТИШІВ” приведені результати дослідження впливу характеристик твердого палива, режиму обпалу і основності на міцність обпалених обкотишів. В якості факторів, що впливають на міцність обкотишів були обрані: вміст летких речовин (х1) і фракція (х2) твердого палива, температура (х3) і час (х4) обпалу, основність (х5) обкотишів.

Для оцінки впливу характеристик твердого палива і технологічних параметрів термообробки обкотишів на їх міцність був складений і реалізований в лабораторних умовах п'ятифакторний план експерименту. Компоненти шихти були попередньо підготовлені для проведення експериментів. В якості твердого палива використовували кокс та вугілля з різним вмістом летких речовин. Відповідно до плану експерименту фракції коксу і вугілля становили: < 0,040 мм; 0,040-0,071 мм і 0,071-0,100 мм. Вони були отримані за рахунок розсіву після подрібнення у кульовому млині. Одержані і висушені обкотиші витримували в силітовій електропечі при температурах 1150, 1200, 1250 – 10, 20 і 30 хв. в окислювальній атмосфері. Кожну пробу охолоджених обпалених обкотишів випробовували на міцність. Визначали опір стисненню, використовуючи розривну машину, що працює за принципом стиснення.

За експериментальними даними був одержан поліном (4), що відображає залежність опору стисненню обпалених обкотишів (Y) від перерахованих вище факторів (хі):

Y=95,039528-10,707745х1-0,03050244х2+9,7302228х3-7,4155932х4-

-19,561565х5+10,496783х21-19,953217х22 -8,0632166х23+

+7,336783х24+11,92178х25-5,07375х1х2-7,0925х1х3- 3,255х1х4+

+1,0725х1х5+18,10875х2х3- 1,51х2х4+3,4425х2х5+1,82125х3х4+

+10,28625х3х5+7,76125х4х5. (4)

Перевірка адекватності математичної моделі показала, що поліном достатньо точно описує реальний процес. Розраховане значення критерію Фішера по експериментальним даним менше табличного значення - Fрозр.=4,187 < 4,53= Fтабл.

Для графічної інтерпретації за поліномом (4) були визначені значення міцності обпалених обкотишів залежно від заданих факторів (рис. 4-8).

Збільшення вмісту летких речовин в твердому паливі значно впливає на міцність обкотишів (рис. 4). Це можна пояснити збільшенням пористості готового обкотиша. З підвищенням температури разом із збільшенням виходу газу (летких речовин), спостерігається і зміна його складу. У зв'язку з цим росте пористість твердого залишку вугілля.

Дослідження показали, що найбільш ефективною є фракція твердого палива 0,040-0,071 мм, при якій міцність обкотишей була максимальною і становила 95 кг/обкотиш (рис.5). Міцність обкотиша залежить від температури і часу їх обпалу (рис. 6, 7). Необхідно також врахувати вплив пористості обпаленого обкотиша. Збільшення температури обпалу знижує пористість. У свою чергу, при тривалому часі обпалу 20 і 30 хв. відбувається майже повне вигоряння вуглецю і дисоціація флюсуючих добавок, що збільшує пористість, зменшуючи міцність готового обкотиша від 110 до 95 кг/обкотиш.

Пористість формується при випаровуванні вологи з сирих обкотишів, вигоранні частинок твердого палива і видаленні з вапняку. Із збільшенням основності (рис. 8) інтенсивність ущільнення матеріалу відстає від інтенсивності пороутворення, що приводить до зниження міцності від 127 до 87 кг/обкотиш.

Аналіз експериментальних даних показав, що можливо використання вугілля із вмістом летких речовин до 40 %, як заміна коксу, при зниженні міцності обкотишів в межах 20%. Підтверджений факт зниження міцності обкотишів при збільшенні основності вище 0,5.

У четвертому розділі “РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА ЗАЛІЗОРУДНИХ ОБКОТИШІВ З ДОБАВКОЮ В ШИХТУ КОЛОШНИКОВОГО ПИЛУ ДОМЕННИХ ПЕЧЕЙ” показані результати запропонованої і розробленої вдосконаленої технології виробництва обкотишів за рахунок добавки в шихту колошникового пилу, як замінника твердого палива.

Аналіз фізико-хімічних характеристик відходів металургійного виробництва, що містять оксиди заліза, показав, що значна кількість вуглецю (10-12 %) знаходиться в колошниковому пилу доменних печей. Шлами газоочистки доменних печей також містять оксиди заліза, тверде паливо, флюсуючі компоненти і можуть бути використані, як замінник твердого палива при виробництві обкотишів.

З метою оцінки ефективності використання колошникового пилу доменних печей, як замінника твердого палива, концентрату і флюсів при виробництві залізорудних обкотишів були проведені лабораторні дослідження і промислові випробування. Лабораторні дослідження показали, що введення в шихту 30-50 кг колошникового пилу на 1 т обкотишів забезпечує необхідну кількість вуглецю в шихті (0,67-1,07 %), дозволяє вивести з шихти коксик і одержувати якісні сирі і обпалені обкотиші.

На підставі лабораторних досліджень були розроблені технологічні регламенти і тимчасова технологічна інструкція по виробництву обкотишів, з використанням в шихті колошникового пилу, для промислових випробувань. У період з 22.07.2003 по 31.07.2003 р. були проведені промислові випробування виробництва обкотишів з використанням в шихті колошникового пилу і одержана партія обпалених обкотишів в кількості 68878 т, в т.ч. 23728 т офлюсованих обкотишів і 45150 т – неофлюсованих.

Застосування розробленого способу на обпалювальній машині Центрального ГЗК показало можливість використання колошникового пилу при виробництві залізорудних обкотишів. Це призвело до підвищення вмісту монооксиду заліза з 3,7 до 10,0 % в неофлюсованих обкотишах і з 1,5 до 4,7 % - в офлюсованих. Понизився індекс на стирання з 9,6 до 8,9 % для неофлюсованих обкотишів та з 10,5 до 9,6 % - для офлюсованих обкотишів, у порівнянні з базовим періодом (табл. 3).

Таблиця 3

Характеристика обпалених обкотишів

Найменування показників | Базовий період | Дослідний період

Неофлюс. | Офлюс. | Неофлюс. | Офлюс.

Вміст дріб'язку (- 5 мм), % | 5,2 | 5,7 | 4,1 | 5,0

Опір стисненню, кг/обкотиш | 216 | 204 | 151 | 152

Стандартний барабан (міцність), %:

на удар (+ 5 мм)

на стирання (-5мм) |

89,0

9,6 |

87,8

10,5 |

89,1

8,9 |

88,8

9,6

Хімічний склад, %: Feзаг.

FeO | 63,2

3,7 | 58,8

1,5 | 63,1

10,0 | 59,6

4,7

Основність, од. | 0,13 | 0,75 | 0,10 | 0,77

Продуктивність обпалювальної машини збільшилася при виробництві неофлюсованих обкотишів на 25,57 т/г (8,4 %), офлюсованих – на 20,53 т/г (7,1 %). Понизилися питомі витрати природного газу для неофлюсованих обкотишів на 2,99 м3/т (21,99 %), для офлюсованих – на 3,63 м3/т (26,23%), за рахунок створення внутрішнього джерела теплоти та інтенсифікації процесу теплообміну.

ВИСНОВКИ

1. На основі комплексного аналізу результатів дослідження прямого відновлення оксидів заліза в залізорудних обкотишах, що отримані з шихт із добавками твердого палива, в нейтральній і окислювальній атмосферах, при ізотермічному режимі обпалу встановлено, що повністю використовується близько 1,4 % вуглецю твердого палива. Дане значення нелеткого вуглецю відповідає кількості теплоти, що виділяється при екзотермічній реакції окислення магнетиту в гематит. При цьому в структурі обкотиша зберігається 4-7 % FeO і не порушується геометрична форма обкотишів. Вміст FeO в обкотишах підвищує їх міцність при відновлювально-тепловій обробці.

2. Одержали подальший розвиток закономірності окислювально-відновлювальних процесів при високотемпературному обпалі офлюсованих залізорудних обкотишів, що отримані з шихт із добавками твердого палива, для гематитових і магнетитових концентратів. Встановлено, що максимальний ступінь окислення обкотишів, в інтервалі температур 600-900, спостерігається при концентрації вуглецю в шихті – 0,7 %, і становить 47,6-86,3 %. Експериментальними даними показано, що при такій концентрації вуглецю вміст монооксиду заліза в обкотишах складає 3-4 %, що створює умови для обмеженого утворення розплаву в обкотишах і сприяє збереженню їх геометричної форми.

3. Встановлено інтервал основностей – 0,5-1,5, при якому відбувається найбільше зниження холодної міцності і міцності при відновлювально-тепловій обробці залізорудних обкотишів. Дослідження впливу відпалу (повторного нагріву) на міцність обкотишів проведені в широкому діапазоні основностей (від 0 до 2) для обкотишів, що одержані з різних сортів концентратів. Мінімальна міцність для обкотишів, що одержані з магнетитового (150 кг/обкотиш) та гематитового (130 кг/обкотиш) концентратів спостерігається при основності 1,2 та 1,0, відповідно. Зниження міцності, пов'язане з формуванням зв'язки з воластоніту, який здатен руйнуватися в присутності Fe2О3.

4. Методами математичного і фізичного моделювання досліджено вплив основних критеріїв твердого палива (вмісту летких речовин, фракції твердого палива), режиму обпалу і основності обкотишів на їх міцність. Аналіз одержаних даних показав, що збільшення вмісту летких речовин в твердому паливі знижує холодну міцність обкотишів за рахунок збільшення їх пористості. Дослідження показали можливість заміни коксика різними видами твердого палива.

5. Запропонована і розроблена вдосконалена технологія виробництва обкотишів, що одержані з шихт із добавками твердого палива. Як компонент, що містить вуглець, в шихту додається колошниковий пил доменних печей. Проведено лабораторні експерименти, що показали ефективність цієї добавки в кількості 30-50 кг/т обкотишів, що забезпечило вміст вуглецю в обкотишах 0,67-1,07 %. При цьому міцність неофлюсованих обкотишів становила 221-371кг/обкотиш, офлюсованих обкотишів – 203-398 кг/обкотиш.

6. На фабриці огрудкування ВАТ “Центральний ГЗК” одержана партія обкотишів з добавкою в шихту ~ 29,0 кг колошникового пилу. Отримано 68878 т, зокрема 23728 т офлюсованих і 45150 т неофлюсованих обкотишів. До основних результатів слід віднести:

- покращання металургійних властивостей обкотишів - вміст FeO зріс з 3,7 до 10 % для неофлюсованих і з 1,5 до 4,7 % для офлюсованих;

- підвищення міцності на удар, при випробуванні в стандартному барабані на 1,0-1,5 %, у порівнянні з базовим періодом;

- збільшення продуктивності обпалювальної машини на 20,53-25,57 т/г;

- пониження питомих витрат природного газу на 2,99-3,63 м3/т (21,99-26,23 %), концентрату на 0,5-3,7 кг/т, вапняку на 3,6-10,7 кг/т.

Основний зміст дисертації опублікований у роботах:

1. Ягольник М.В., Мовчан В.П., Ванюкова Н.Д. Исследование термической обработки рудо-угольных окатышей применительно к условиям конвейерной обжиговой машины // Теория и практика металлургии. – 2004. – № 2. – С. 3-9.

2. Промышленные испытания технологии утилизации колошниковой пыли доменных печей при производстве железорудных окатышей / Д.А. Ковалев, Н.Д. Ванюкова, М.В.Ягольник, А.Д. Бучко, А.А. Паталах // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2005. - № 3. – С.9-12.

3. Ковалев Д.А., Ванюкова Н.Д., Ягольник М.В. Исследование факторов разупрочнения железорудных окатышей / Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. – Випуск 1 (36). – Дніпропетровськ. – 2005. – 166 с. (С. 26-32).

4. Ковалев Д.А., Ванюкова Н.Д., Ягольник М.В. Критерии качества твердого топлива при добавках его в шихту для производства окатышей // Теория и практика металлургии. – 2005. – № 1-2 (45-46). – С. 14-17.

5. Ванюкова Н.Д., Ягольник М.В., Паталах А.А. Испытание технологии низкотемпературного слоевого сжигания угля применительно к условиям конвейерной обжиговой машины // Матеріали першої міжнародної науково-технічної конференції “Науковий потенціал світу 2004” (1-12 листопада 2004 р). – Том 59. – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. – 84 с. (С. 5-6).

6. Ванюкова Н.Д., Ягольник М.В., Ковшов В.Н. Разработка статистической модели для оценки влияния критериев твердого топлива на металлургические свойства железорудных окатышей // Математичні проблеми технічної механіки. - Матеріали міжнародної наукової конференції (18-21 квітня 2005р.) - Дніпропетровськ. – 2005. – С.162.

АНОТАЦІЇ

Ягольник М.В. “Покращання металургійних властивостей обкотишів за рахунок вдосконалення технології їх виробництва з рудовугільной шихти” - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02 – “Металургія чорних металів” - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню окислювально-відновлювальних процесів при високотемпературному обпалі офлюсованих залізорудних обкотишів, що одержані з шихт із добавками твердого палива.

Експериментально показано, що ступінь окислення обкотишів збільшується при підвищенні температури і концентрації вуглецю в шихті до 0,7 %. В результаті досліджень встановлено, що витрата вуглецю в шихту повинна складати близько 1,4 % для коксика. В цих умовах кінцева концентрація в обкотишах складає 4-7 % та сприяє покращанню міцності обкотишів при відновлювально-тепловій обробці.

В дисертаційній роботі досліджено вплив основності (в інтервалі 0-2) на міцність обкотишів. Акцентовано увагу на ту частину обкотишів, яка піддається відпалу (повторному нагріву). Експериментально показано, що в інтервалі основностей 0,5-1,5 відбувається зниження міцності обкотишів в холодному стані і при відновлювально-тепловій обробці.

Запропонована і розроблена вдосконалена технологія виробництва обкотишів, що одержані з шихт із добавками твердого палива. Як компонент, що містить вуглець, в шихту додається колошниковий пил після сумісного подрібнення з вапняком. Витрата колошникового пилу доменних печей склала близько 30 кг/т обкотишів. Отримана партія обпалених обкотишів в кількості 68878 т, зокрема 23728 т – офлюсованих і 45150 т – неофлюсованих. До основних результатів слід віднести: поліпшення якості обкотишів, підвищення продуктивності на 20,53-25,57 т/час, зниження витрати природного газу на 2,99-3,63 м3/т.

Ключові слова: обкотиші, вуглець, основність, міцність, обпалювальна машина, відпал.

Ягольник М.В. “Улучшение металлургических свойств окатышей за счет усовершенствования технологии их производства из рудоугольной шихты” - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 – “Металлургия черных металлов” - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2005.

Диссертация посвящена исследованию окислительно-восстановительных процессов при высокотемпературном обжиге офлюсованных железорудных окатышей, полученных из шихт с добавкой твердого топлива, из гематитового и магнетитового концентратов. Выполнен анализ критериев качества твердого топлива и их влияния на развитие физико-химических процессов и металлургические свойства окатышей.

Экспериментально показано, что процесс восстановления оксидов железа твердым