Исследование и анализ магнетизирующего обжига дисперсных ЖГО в гравитационно-падающем слое Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ

Вип.№17

Маслов В.А.1, Трофимова Л.А.2, Дан Л.А.3

2007 р.

УДК 669.054.8: 622.785.2

ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ МАГНЕТИЗИРУЮЩЕГО ОБЖИГА ДИСПЕРСНЫХ ЖГО В ГРАВИТАЦИОННО-ПАДАЮЩЕМ СЛОЕ

С использованием метода планирования экстремального эксперимента выполнен анализ влияния на уровень магнитных свойств температуры, времени магнетизирующего обжига дисперсных ЖГО в гравитационно-падающем слое, а также состава газовой атмосферы в реакторе

Дисперсные железографитовые отходы (ЖГО) металлургического производства, в состав которых входят оксиды железа и графит, являются уникальным материалом, обладающим ценным сочетанием магнитных и электрофизических свойств [1, 2, 3]. Последнее дает возможность использования их в различных областях техники.

Проведенные нами исследования [4,5] показали, что магнетизирующий обжиг ЖГО, обеспечивающий превращение максимального количества немагнитных оксидов железа в магнитный оксид - магнетит, позволяет в 2 -2,5 раза повысить величину удельной намагниченности насыщения с3 таких отходов. Это расширяет область их использования.

Из существующих технологических схем осуществления обжига: в плотном неподвижном либо движущемся слое, в гравитационно-падающем слое, наиболее эффективной признана схема с нагревом и первичной магнетизацией материала в гравитационно-падающем слое и окончательной обработкой в плотном движущемся слое [4, 5, 6].

По условиям термодинамики процесса магнетизации определяющими параметрами его протекания являются температура и состав газовой фазы [7]. Во всех проведенных ранее экспериментах [4, 5, 6 и др.] состав газовой среды в реакторе определялся только течением основного процесса. Газы в реактор не подавали. При этом после длительной выдержки газовая среда в реакторе приближалась к равновесной для системы Бе - О - С. Для температур выше 650 °С достигалось равновесие, характеризующее устойчивость вюстита. Процесс образования магнетита шел быстрее, чем восстановление его до вюстита. Поэтому сначала большая часть оксидов переводилась в магнетит, и лишь после этого начиналось восстановление до вюстита. Во всех образцах после завершения экспериментов обнаруживали вюстит. Для достижения максимально возможных значений с3 при температурах выше 650 °С ЖГО необходимо обрабатывать в неравновесной газовой атмосфере, подавая в нее избыток С02 или смесь СО и С02.

Целью настоящей работы было определение оптимального сочетания основных параметров протекания магнетизирующего обжига дисперсных ЖГО (температуры, времени обработки, состава газовой атмосферы), обеспечивающих получение максимально возможного уровня их магнитных свойств.

При проведении опытов обрабатываемый материал (содержание углерода 5 °/о1 С7з в исходном состоянии - 49,9 А м2/кг) в режиме гравитационно-падающего слоя проходил через реактор длиной 700 мм с изотермической зоной ~ 400 мм, в который подавали смесь СО - СО: заданного состава. Время обработки ЖГО в таком режиме изменяли, варьируя количеством (п, раз) их повторного прохождения через реактор. По ходу экспериментов изменяли также температуру реактора (1, °С) и содержание СО (%) в газовой смеси, подававшейся в реактор. Концентрации СО и СОгв смеси были связаны соотношением: [СО] = 100 % - [СО2]. Расход твердого материала и газообразного реагентов составлял 20 г/л.

1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.

2 ГТГТУ, ассистент

3 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент

Опыты проводили с использованием методики планирования экстремального эксперимента [8, 9]. Параметром оптимизации была выбрана удельная намагниченность насыщения продукта обработки, пропорциональная содержанию в нем магнетита.

Для расчета степени магнитного превращения по величине удельной намагниченности насыщения материала, аа, использовали формулу:

а, -а,

аа = —--—-100%, (1)

-

шах аО

где с, - удельная намагниченность насыщения исходного материала, Ам7кг:

а. - максимально возможная удельная намагниченность насыщения материала известного химического состава, А м2/кг;

Ст8 - удельная намагниченность насыщения при достигнутой степени превращения, Ам2/кг.

Результаты предварительной серии опытов (рис. 1) позволили определить основные уровни и интервалы варьирования изучавшихся факторов. Малые изменения характера зависимостей Ок и аа от числа проходов при повышении температуры и содержания СО в атмосфере реактора свидетельствовали о близости исследованной области факторов к оптимуму, при котором должен наблюдаться экстремум параметра оптимизации [8, 9].

Для фактора «температура реактора» (Х1) основной уровень - 800 °С, интервал варьирования - 100 Для фактора «количество проходов» (Х2) - 2 и 1, соответственно. Для фактора «содержание СО» (Х3) - 10 % и 5 %, соответственно.

С помощью полного факторного эксперимента Т1 нашли направления изменения факторов, приводящие к увеличению ст3. На рис. 2 представлены результаты опытов, проведенных в соответствии с построенной матрицей планирования.

Как видно на рис.2 (б), при 700 "С и ма-

100

I &

г

л и

и С

е

и

1

Число проходов

Рис. 1- Результаты предварительных экспериментов по влиянию числа проходов на свойства ЖГО: 1 - 900 °С, 15 %СО; 2 - 700 °С, 5 %СО

к л

ч

<и £

700 800 900

Температура, °С

5 10 15

Содержание СО, %

Рис.2 - Зависимость удельной намагниченности насыщения от условий магнетизирующей обработки: • - 5 % СО, 1 проход: ■ - 5 % СО, 3 прохода; А -15% СО, 1 проход; * -15 % СО, 3 прохода; О - 700 °С, 1 проход; □ - 700 °С, 3 прохода; А - 900 °С, 1 проход; о - 900 °С, 3 прохода

лом времени обработки (п = 1) рост содержания СО в атмосфере реактора уменьшал магнитные свойства продукта. Увеличение температуры или времени обработки приводило к росту с3 с увеличением содержания СО в атмосфере реактора. Таким образом, имело место совместное влияние времени обработки, содержания СО и температуры на свойства продукта. При этом величина с3 продукта была максимальна при максимальных значениях всех трех факторов. Целью проведения экспериментов было построение уравнения регрессии вида:

у =Ьо + Ь1Х1+Ь2Х2+ЬзХз+Ь12Х1Х2+Ь1зХ1Хз+Ь2зХ2Хз+Ь12зХ1Х2Хз . (2)

При обработке результатов экспериментов нашли ошибки в определении коэффициентов регрессии: 8{у}= 0,75; 8{Ь!}=0,27. Вычисленные коэффициенты для уравнения регрессии были следующие:

1 0 1 2 3 1-2 1-3 2-3 1-2-3

Ь, 61,09 3,34 5,23 0,955 0,305 0,84 0,425 0,04

Определили доверительный интервал коэффициентов регрессии: А Ь;= 0,61. Таким образом, статистически значимыми оказались коэффициенты Ьь Ь2, Ь3, Ьп. Уравнение регрессии в кодированном масштабе факторов для изучавшейся области имеет вид:

у = 61,09 + 3,34X1+5,23Х2+0,955Хз+0,84Х1Хз. (3)

В натуральном масштабе уравнение (3) представляется таким:

с8=35,44+0,01661+5,23 п-1,153 [С0]+0,001681 [СО]. (4)

Проверка уравнения (3) по критериям Стьюдента и Фишера показала адекватность построенной модели.

Анализ полученных уравнений показал, что факторы эксперимента «температура» и «количество проходов» в исследованном интервале оказались интенсивными, их увеличение приводило к росту параметра оптимизации - с3.

Анализ уравнений регрессии (3) и (4) и данных рис.2 в пределах исследованных границ факторов приводит к следующим заключениям. Наибольшее влияние на магнитные свойства продукта оказывает время обработки и температура реактора, меньшее - содержание СО в атмосфере реактора, а также совместное влияние температуры и содержания СО.

Для реализации опытов крутого восхождения температуру

зафиксировали на верхнем уровне -900 °С. Сначала повышали число проходов материала до достижения постоянных значений с3 для заданного режима (рис.3).

После пятого и шестого проходов через печь величина с3 практически одинакова и мало отличается от той же величины при трех, четырех проходах.

Таким образом, было решено проводить последующие эксперименты крутого восхождения при числе проходов через реактор не более пяти. В опытах концентрацию СО увеличивали через 5 %. Опыты проводили до достижения такой концентрации СО, при которой с увеличением числа проходов материала через реактор повышение магнитных свойств продукта сменялось существенным их снижением. Как видно из рис.3, с изменением содержания СО в реакторе до 20 % возрастала скорость увеличения магнитных свойств продукта; максимальную величину с3 (80,36 Ам2/кг) достигали на четвертом проходе. При обработке ЖГО в атмосфере содержащей 25 % СО происходил быстрый рост магнитных свойств (более интенсивный, чем при 15 % СО) и после четырех проходов через реактор получали максимальное значение с3 (81,0 А м2/кг). Однако после пятого прохода через печь магнитные свойства материала резко снижа-

8 «3

И §

я

Л

п

<и £

уо

80

70

60

50

40

2 \ > ') (

> 4 Г \ Ч \ ¿ > ! > ' ч

> * / ч X К ■

\ 1 -л _

100

50

2 3 4 Число проходов

Рис. 3- Результаты опытов крутого восхождения:

экспериментальные данные: □ - [СО] = 5 %; А - [СО] = 15 %; о - [СО] = 20 %; * - [СО] = 25 %; расчетные кривые: 1 - [СО] = 5 %; 2 - [СО] = 15 %;

лись, что свидетельствовало об интенсивном образовании вюстита из магнетита. Таким образом, с ростом концентрации СО в реакторе при обработке ЖГО достигали максимальные магнитные свойства продукта с3 при одновременном сокращении времени процесса.

Проведенные эксперименты по магнетизирующей обработке ЖГО в режиме гравитационно-падающего слоя показали, что для достижения оптимума магнитных свойств процесс следует проводить при 900 °С и содержании в реакторе 15-25 % СО в течение времени эквивалентном трех - четырехкратному проходу через лабораторную печь высотой 700 мм. В промышленных условиях высота вертикального реактора должна быть 2 - 2,5 м. Это объясняется тем, что пропорционально кратности проходов увеличивается лишь размер изотермической зоны, а зоны нагрева и охлаждения могут оставаться без изменений.

Выводы

С использованием методов планирования экстремального эксперимента получены зависимости величины магнитных свойств продукта от температуры, времени проведения магнетизирующего обжига дисперсных ЖГО в гравитационно-падающем слое и состава газовой атмосферы в реакторе.

Определены следующие параметры процесса и реактора, позволяющие получить максимально возможную для исследованного материала величину удельной намагниченности насыщения: температура процесса 900 °С; содержание СО в реакторе 15 - 25 %; высота вертикального реактора 2 - 2,5 м.

Перечень ссылок

1. Маслов В. О. Композщшш матер ¡ал и на основ1 зал1зографш)вих вщход1в мсталурпйного виробництва / В.О. Маслов II ХЪпчна промисловють Укра1ни.-1994.-№4.- С.54-60.

2. Маслов В.А. Морфология и микроструктура частиц железографитовых отходов металлургического производства / В. А. Маслов, Л.А. Трофимова, Ю.П. Пустовалов II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту.-Мар1уполь.-2002,- Вип. №12,- С.71-75.

3. Южаков Б.А. Исследование физико-химических и технологических свойств дисперсных железографитовых отходов ОАО «Азовсталь» / Б.А. Южаков, В.А. Маслов II Вестник Приазов. гос. техн. ун-та.-Мариуполь, 1998,- Вып.№6,- С.30-34.

4. Маслов В.А. Магнетизирующий обжиг железографитовых отходов в плотном движущемся слое / В. А. Маслов, Л.А. Трофимова, Ю.П. Пустовалов II Вестник Приазов. гос. техн. ун-та,- Мариуполь,- 1999,- Вып. №8.-С.29-31.

5. Маслов В.А. Влияние магнетизирующего обжига на свойства магнитного графита / В.А. Маслов, Е.М. Мирошникова II Порошковые магнитные материалы: Сб. науч. тр./ АН УССР, Ин-т проблем материаловедения им. И.Н. Францевича.- Киев, 1990.-С. 10-14.

6. Маслов В.А. Динамика движения и нагрева дисперсных железографитовых отходов в гравитационно-падающем слое / В.А. Маслов, Л.А. Трофимова, Л.А. Дан // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту.-Мар1уполь.-2006.-Вип. №16.-С.63-67.

7. Ростовцев С. Т. Теория металлургических процессов / С. Т. Ростовцев.-М.: Металлург-издат, 1956,- 315 с.

8. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский,- М.: Наука, 1976.-279 с.

9. Налимов В. В. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов / В.В. Налимов, Н.А. Чернова - М.: Наука, 1965.-340 с.

Рецензент: А.М.Скребцов д-р техн. наук, проф., ПГТУ

Статья поступила 30.01.2007